Konsistenz in echtzeitfähigen Datenverteildiensten für dezentrale Embedded-Anwendungen

198 Pages·2007·2.16 MB·German

by  Kai Beckmann

Fachhochschule Wiesbaden
Fachbereich Design Informatik Medien
Studiengang Allgemeine Informatik
Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades
Diplom-Informatiker/in (FH)
Konsistenz in echtzeitfähigen Datenverteildiensten für
dezentrale Embedded-Anwendungen
vorgelegtvonKaiBeckmann
am10.April2007
Referent:Prof.Dr.R.Kröger
Korreferent:Dipl.-Ing.R.Kaiser
II
Erklärung
Ich versichere, dass ich die Diplomarbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die
angegebenenHilfsmittelbenutzthabe.
Wiesbaden,10.04.2007 KaiBeckmann
HiermiterkläreichmeinEinverständnismitdenimFolgendenaufgeführtenVerbreitungs-
formendieserDiplomarbeit:
Verbreitungsform ja nein
Einstellung der Arbeit in die √
BibliothekderFHW
Veröffentlichung des Titels der √
ArbeitimInternet
Veröffentlichung der Arbeit im √
Internet
Wiesbaden,10.04.2007 KaiBeckmann
III
IV
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 7
2.1 KonsistenzinverteiltenSystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Konsistenz-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2.1 StrengeKonsistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2.2 LinearisierbarkeitundsequenzielleKonsistenz . . . . . 9
2.1.2.3 KausaleKonsistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2.4 FIFO-Konsistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 VerteilteZeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3.2 LogischeZeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3.3 Zeitsynchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Datenverteildienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 DasPublish-Subscribe-Pradigma. . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2.1 DasPublish-Subscribe-Interaktionsschema . . . . . . . 17
2.2.2.2 EigenschaftenvonPublish-Subscribe-Systemen . . . . 18
2.2.2.3 Filtermodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2.4 Quality-of-ServiceinPublish-Subscribe-Systemen . . . 21
2.2.3 OMGDDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3.2 DDS–KonzeptuellesModell . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3.3 Data-CentricPublish-Subscribe(DCPS) . . . . . . . . 24
V
2.2.3.4 Quality-of-ServiceModule . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3.5 Implementierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 FeldkommunikationüberEthernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2 Überblick:Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2.1 IndustrialEthernet/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2.2 ProfiNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2.3 Powerlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 EtherCAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3.1 EtherCAT–Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3.2 Paket-Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3.3 EtherCAT–Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3.4 DistributedClocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 PikeOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 Konzept–EtherCATaufPikeOS 47
3.1 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.1 AnforderungenaneinenEtherCAT-MasterfürPikeOS . . . . . . 47
3.1.2 VoruntersuchungzumöglichenMaster-Implementierungen . . . . 48
3.1.2.1 EigeneEtherCAT-Master-Implementierung . . . . . . 48
3.1.2.2 König-Automation:EtherCATMaster . . . . . . . . . 48
3.1.2.3 OpenSource1:DieEtherCATMasterLibrary . . . . . 49
3.1.2.4 Open-Source2:EtherLab . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.2.5 EntscheidungübereineMaster-Implementierung . . . 50
3.1.3 DerIgHEtherlabEtherCAT-MasterimDetail . . . . . . . . . . . 51
3.1.3.1 ArchitekturÜberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.3.2 Master-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3.3 Device-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3.4 Realtime-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.4 AnalysederPortierbarkeitdesIgHEtherCAT-Masters . . . . . . 55
3.1.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.4.2 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.4.3 Kernel-Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
VI
3.1.4.4 Bibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Design-Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 EinbindendesEtherCAT-MastersinPikeOS . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 PortierungdesQuelltextesundderBibliotheken . . . . . . . . . 60
3.2.2.1 Vereinfachungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2.2 Linux-Kernel-Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2.3 VerketteteListen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2.4 Workqueues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2.5 Kernel-Objekts&sysfs . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.3 Realtime-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.1 System-Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.2 DerEtherCAT-Master . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.3 Prozessdaten-VerwaltungdesEtherCAT-Masters . . . . . . . . . 66
3.3.4 DerEtherCAT-MasterFile-Provider . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.5 NetzwerkanbindungdesEtherCAT-Masters . . . . . . . . . . . . 69
3.3.5.1 EntwurfdesDevice-Mappers . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.6 Realtime-ThreaddesEtherCAT-Masters . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.6.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.7 BibliothekfürWorkqueues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Analyse–ErweiterungRTDDS 77
4.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 EinsatzabhänigeAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 P2P-Kfz-Informationssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 MiddlewarefürMulti-Player-Spiele . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 SoftSPS–synchroneZyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.4 SoftSPS–asynchroneZyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3 QoS-EigenschaftenfürKonsistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.1 KonsistenzimDDS-Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 AbhängigkeitenvonanderenQoS-Eigenschaften . . . . . . . . . 92
4.3.3 ZuverlässigeDatenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
VII
4.3.4 OrdnenvonNachrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.4.1 LogischeZeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.4.2 RealeZeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4 AnalysedesRTDDS-Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.2 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.3 Publish-Subscribe-Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.4 Handling-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.5 Netzwerkmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.6 IntegrationsmöglichkeitenfürQoS-Eigenschaften . . . . . . . . . 108
4.5 Design-Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5 Entwurf–ErweiterungRTDDS 115
5.1 Grobarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 QoS-Modul-ArchitekturimRTDDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.1 Handling-Modul-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.2 Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.3 Control-Nachrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.4 VerarbeitungvonzyklischenAufgaben . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.5 Kompatibilitätsüberprüfung der QoS-Parameter bei einer Subs-
cription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3 Message-Pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.1 LokalerZugriffaufdieDaten-Nachrichten . . . . . . . . . . . . 123
5.3.2 SystemweiterZugriffaufDaten-Nachrichten . . . . . . . . . . . 124
5.4 History-QoS-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5 Reliability-QoS-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.1 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.2 DataWriter-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.5.3 DataReader-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.6 Destination-Order-QoS-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.6.1 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.6.2 Zeitstempel-SchnittstellezumRTDDS-System . . . . . . . . . . 133
5.6.3 KompatibilitätsüberprüfungderQoS-Parameter . . . . . . . . . . 133
5.6.4 SortierungdesDaten-Nachrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.7 DieQoS-ModuleimRTDDS-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
VIII
6 Implementierung 141
6.1 Implementierungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2 Style-GuidefürdieobjektorientierteEntwicklunginC . . . . . . . . . . 142
6.3 QoS-Modul-Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.3.1 NamensschemaderQoS-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.3.2 DieKlasseRTDDS_Message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3.3 ImplementierungderHandling-Modul-Schnittstelle . . . . . . . . 146
6.4 MessagePool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.4.1 Datenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.4.2 AbgeleiteteMessagePools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5 History-QoS-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.5.1 History-QoS-HandlerdesDataWriters . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.5.2 History-QoS-HandlerimDataReader . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.6 Reliability-QoS-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.6.1 Reliability-QoS-HandlerimDataReader . . . . . . . . . . . . . . 160
6.6.2 Reliability-QoS-HandlerimDataWriter . . . . . . . . . . . . . . 164
6.7 Destination-Order-QoS-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.7.1 OrdnenvonNachrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.8 Implementierungsaufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.9 VerwendeteTestverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7 Zusammenfassung 175
8 Literaturverzeichnis 179
IX
X