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Reed-Solomon纠错码研究及在Modbus通信协议中的应用

作　者: 张扬庆
导　师: 鲁晓军
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: Modbus通信协议 Reed-Solomon纠错码算法 RAID系统有限域
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 45次
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内容摘要

Reed-Solomon纠错码算法作为编解码领域中出色的算法被广泛应用于各个方面。尤其在数据恢复方面的应用较为突出。算法本身又构建于有限域的数学运算之上,从而凸现了有限域运算在计算机领域中的重要位置。Modbus通信协议是一种工业领域里控制器间的通信协议。并因为其优良的特性逐渐成为工业以太网通信中的标准。协议自身对帧格式的定义简洁而明了,方便了通信双方的交互。同时也为组建Modbus网络提供了软件上的统一性。若以Modbus通行协议为基础构建服务端,单纯的对客户端请求进行响应而不对接收到的数据进行保留并备份,无法保证服务端的数据可靠性和完整性。本论文正是针对上述问题,以Reed-Solomon纠错码算法为主要的实现和研究对象,在深入分析Modbus通信协议机理的基础上,将算法应用到Modbus协议当中,并对算法在有限域上面的基本运算进行了创新性和探索性研究。主要内容为:1.研究了Modbus通行协议的通信原理,并对协议帧进行了详细的描述和总结。同时以某些典型的协议帧为例,进行了实例化说明。2.依据对Modbus通信协议的研究,构建Modbus服务端。其中详细描述了服务端的设计、构建和实现。3.详细研究了Reed-Solomon纠错码算法的实现原理,并以RAID系统为例称述了该算法在系统中的应用方式。着重研究了基于同一有限域上的两个算法在基本数学运算。从抽象的数学理论角度,证明了它们在有限域上的运算一致性。4.参照Reed-Solomon纠错码算法的理论内容,用自己的模块定义方式实现了该算法。同时对编程过程中遇到的问题做了分析和总结。5.将Reed-Solomon纠错码算法实现模块和Modbus通信协议模块相结合,实现了算法在该通信协议中的应用。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-14
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外发展现状  11-12
  1.3 研究内容及论文框架  12-13
  1.4 研究意义  13-14
第二章 Modbus 协议  14-25
  2.1 协议规范  14
  2.2 适用范围  14
  2.3 协议帧格式定义  14-24
    2.3.1 Modbus 串口协议帧  14-15
    2.3.2 串行链路协议报  15-21
    2.3.3 ModbusTCP/IP 协议帧  21-22
    2.3.4 TCP/IP（以太网）上的协议报  22-23
    2.3.5 TCP/IP 上的通信方式  23-24
  2.4 小结  24-25
第三章 Modbus 服务端的构建  25-36
  3.1 服务端系统概述和整体设计  25-32
    3.1.1 模块设计  25-26
    3.1.2 数据结构  26-28
    3.1.3 函数设计  28-32
  3.2 串行链路上的数据结构  32-33
  3.3 串行链路上的函数设计  33-34
  3.4 TCP/IP 上的数据结构  34-35
  3.5 TCP/IP 上的函数设计  35
  3.6 小结  35-36
第四章 RS 算法  36-52
  4.1 RS 算法概述  36
  4.2 RS 算法原理  36-37
  4.3 校验和的形成  37-41
  4.4 错误恢复  41-43
  4.5 高斯消元法  43-47
    4.5.1 高斯消元法的实例  43-44
    4.5.2 高斯消元法的一般解法  44-46
    4.5.3 高斯消元算法  46
    4.5.4 高斯算法的核心代码  46-47
  4.6 RS 算法的实现  47-51
    4.6.1 算法实现的模块设计  47-48
    4.6.2 算法实现的数据定义  48-49
    4.6.3 算法实现的函数流程  49-51
    4.6.4 算法实现的结果  51
  4.7 小结  51-52
第五章有限域上的算法研究  52-64
  5.1 有限域  52
  5.2 有限域上的基本运算  52-55
    5.2.1 有限域加法  53-54
    5.2.2 有限域乘法  54-55
  5.3 基于有限域上AES 算法的引入  55-56
  5.4 有限域GF（2W）上RS 算法和AES 算法的运算一致性研究  56-63
    5.4.1 两种算法实现的区别  56-58
    5.4.2 两种算法运算一致性研究  58
    5.4.3 加法一致性研究  58-59
    5.4.4 乘法一致性研究  59-62
    5.4.5 除法一致性研究  62-63
  5.5 小结  63-64
第六章 RS 算法在Modbus 服务端的应用  64-75
  6.1 系统整体设计和描述  64-65
  6.2 系统存储管理  65-67
  6.3 选取的客户端测试软件  67-68
  6.4 服务端的测试  68-74
    6.4.1 TCP/IP 模式下的测试  69-70
    6.4.2 串口模式下的测试  70-72
    6.4.3 RS 算法数据恢复测试  72-74
  6.5 小结  74-75
第七章结论和展望  75-77
  7.1 本论文研究总结  75-76
  7.2 前景展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-80
作者攻读硕士期间取得的成果  80-81
附录  81-82

Reed-Solomon纠错码研究及在Modbus通信协议中的应用

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