585 浏览半导体设备通信协议SECS/GEM仿真研究
摘要：SECS（SEMI Equipment Communication）/GEM（General Equipment Model）是全球半导体工厂和半导体设备通用的通信协议。国内对于该协议应用场景众多,但主要依靠从国外购买相关通信软件,十分缺乏自主开发的基于该协议的通信软件和相关测试工具。本文在对该协议进行了广泛的调研和深入研究分析的基础上开发了适合国内市场的仿真软件包,在国内若干家半导体工厂进行了实践,与此同时与美国Cimetrix公司的标准化SECS/GEM通信软件进行了测试。结果证明,本软件包完全符合协议的标准,实用简单且可靠。不仅可以用于半导体工厂项目的前期调研验收,又可以用于科学研究,填补了国内在该领域的缺失。本文在对SECS/GEM协议深入了解的基础上,针对该协议存在相关国产化工具的缺失、安全机制不足、消息设计的灵活不足、可读性差的问题,进行了如下方面的研究与实践:（1）开发出一套国内自主开发SECS/GEM仿真模拟软件,填补了当前国内在该协议方面相关测试工具的缺失。国际权威仿真软件的通信结果良好,在多家半导体工厂试进行了试用,受到一致好评,为今后国内自主搭建基于SECS/GEM通信平台提供了有力的支撑。（2）提出基于一种基于AES-GCM（Advanced Encryption Standard Galois/Count Mode,高级加密标准伽罗华/计数器模式）的安全方案,在本协议实现的基础上,与本协议充分结合,增加了新的协议功能,设计了新的消息格式,改善了协议的流程,优化了协议的安全机制。实验结果表明,该方案不仅可以很好的抵抗蛮力攻击,保证了数据的完整性、保密性和真实性,同时还有效控制了时间开销。（3）运用设计模式对SECS-II消息进行了设计,优化了SECS-II消息的格式,完成消息的编码和解码,贴合了其消息“整体-部分”的分层特点,提高了灵活性,增强了可读性,方便了使用者的操作。
关键词：半导体设备通信;工业网络;
文章目录
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 研究现状
1.2.1 SECS/GEM应用现状
1.2.2 SECS/GEM的安全现状
1.3 项目背景
1.4 研究主要工作
1.5 论文的组织架构
2 SECS/GEM协议分析
2.1 SECS-II协议
2.1.1 消息类别
2.1.2 报文格式
2.1.3 SECS语言-SML
2.2 HSMS协议
2.2.1 HSMS消息类别
2.2.2 HSMS消息格式
2.2.3 HSMS状态转换
2.2.4 HSMS通信过程
2.3 GEM协议
2.3.1 设备功能
2.3.2 状态模型图
2.4 SECS/GEM的优点
3 SECS/GEM的软件功能设计
3.1 功能分解
3.1.1 HSMS模块
3.1.2 SECS-II模块
3.1.3 GEM模块
3.2 HSMS模块的设计
3.3 SECS-II模块的设计
3.4 GEM模块设计
4 SECS/GEM的仿真实现
4.1 HSMS模块的实现
4.1.1 TCP/IP的建立
4.1.2 HSMS发送模块和接收模块
4.1.3 HSMS通信状态机和控制模块
4.1.4 HSMS封装报文解析模块
4.1.5 HSMS消息管理模块
4.1.6 日志管理模块
4.1.7 计时器
4.2 SECS-II模块的实现
4.2.1 Composite(组合)设计模式
4.2.2 Visitor(访问者)设计模式
4.2.3 消息设计
4.2.4 消息处理
4.3 GEM模块的实现
4.3.1 建立通信状态
4.3.2 建立控制状态
4.3.3 状态数据收集
4.3.4 事件数据收集
4.3.5 报警管理
5 基于AES-GCM的安全方案
5.1 AES加密技术
5.2 GCM模式
5.3 AES-GCM方案
5.4 消息格式设计
5.5 方案流程
5.6 加密有效负载和生成认证标签
5.7 解密有效负载并验证其真实性
5.8 基于标准HSMS消息的改进
6 仿真结果测试与分析
6.1 软件标准化测试
6.1.1 连接测试
6.1.2 建立通信功能
6.1.3 事件数据收集功能
6.1.4 其他测试
6.2 基于AES-GCM的加密认证性能分析
6.2.1 控制开销测试
6.2.2 安全性分析
6.2.3 其他密钥对比
6.3 解码和编码速率
6.3.1 单组事务消息对比
6.3.2 多组事务消息对比
7 总结与展望
7.1 本次仿真的主要成果
7.2 本次仿真的建议
参考文献
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