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基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)安全技術的研究

文檔作者：劉才思劉峰鄭恩筆默尹震宇文檔來源： 1．中國科學院大學 2．中國科學院 3．沈陽高精數(shù)控技術有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月06日
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2015年12月 Modular Machine Tool&amp;amp;Automatic Manufacturing Technique Dec．2015
文章編號：1001—2265(2015)12—0043-03 DOI：10．13462／j．cnki．mmtamt．2015．12．012
基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)安全技術的研究米
劉才思 ，劉 峰 ，鄭恩筆默 ，尹震宇 ，
(1．中國科學院大學，北京 100049；2．中國科學院沈陽計算技術研究所，沈陽 110171；3．沈陽高
精數(shù)控技術有限公司，沈陽 110171)
摘要：在研究EtherCAT協(xié)議棧，以及EtherI二AT的軟、硬件結構特性和幀結構特點的基礎上，分析了
EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)存在的通信故障錯誤，及其對應的安全通信機制措施，建立了安全系統(tǒng)體系結
構和安全通信協(xié)議模型，設計了EtherCAT功能安全通信過程，開發(fā)了安全協(xié)議層軟件。經(jīng)過試驗測
試表明，通過在EtherCAT應用層之上添加EtherCAT安全通信，并且對EtherCAT通信報文中用戶數(shù)
據(jù)單元進行擴展，來實現(xiàn)關鍵安全措施，滿足了安全相關領域通信的要求，保障了EtherCAT系統(tǒng)的
安全性和可靠性。
關鍵詞：EtherCAT；安全協(xié)議；CRC校驗；殘余錯誤率
中圖分類號：TH165：TG68 文獻標識碼：A
Researh and Application of Industrial Ethernet Safety Based on EtherCAT
LIU Cai．silI2，LIU Feng ．一，ZHENG Liao-mo ，YIN Zhen—vu ，
(1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2．Shenyang Institute of Computing
Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 1 10168，China)
Abstract：Under the study of EtherCAT protocol stack and the characteristics of software ，hardware and
frame of EtherCAT ，we analyzed communication faults and errors in the industrial ethem et and the counter
safety communication mechanism measures，established the safety system architecture and safety communication
protocol model，designed the EtIle AT safety communication process，and developed safety protocol
layer software．As the result of experimental test shows，by adding EtherCAT safety layer upon application
layer and safety measures into user data unit with some critical safety measures，we made the protocol meet
the safety requirements of com unication related fields and guarantee the EtherCAT system safety and relia—
bility．
Key words：EtIler(=AT；safety protocol；CRC checksum ；residual error probability
0 引言
工業(yè)制造水平的不斷提高，使得對于安全相關技
術的需求更加明顯，要求更加嚴格。安全，即免受不可
接受的風險。安全從開始被認為是成本負擔和“不可
避免的禍”，逐步演化為提高生產(chǎn)率和減少停機時間
的策略。另外，網(wǎng)絡安全不僅可以縮短啟動時間，降低
布線成本，而且，從長遠看，有助于快速高效的維護。
在國際標準IEC61508中，定義了安全相關系統(tǒng)的
要求。此標準涵蓋了從概念定義階段到維護階段的整
個產(chǎn)品生命周期。其中，不僅對設備本身做出要求，而
且還指定開發(fā)和維護過程中的要求。
一般來講，要使得總線系統(tǒng)安全的方法有：設計一
個全新的總線，或完善現(xiàn)有總線。基于開發(fā)成本以及
兼容性的考慮，大部分現(xiàn)場總線都采用了完善安全功
能的措施。
本文的第一部分，將闡述EtherCAT總線的協(xié)議基
本結構。第二部分將在第一部分的基礎上，闡明實現(xiàn)
EtherCAT安全的安全需求、相應的安全措施以及安全
層結構。最后，將討論殘余錯誤概率的計算方法，并給
出相應的實驗結果。
l EtherCAT通信協(xié)議結構
1．1 EtherCAT協(xié)議結構
EtherCAT是一種工業(yè)以太網(wǎng)，它使用了以太網(wǎng)標
準IEEE 802．3的物理層以及鏈路層。
EtherCAT將其數(shù)據(jù)幀嵌入到標準的以太網(wǎng)幀中，
并在以太網(wǎng)幀類型字段中使用0x88A4作為其標識。
嵌入EtherCAT幀的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包括以太網(wǎng)幀頭、數(shù)
據(jù)部分和幀檢測序列FCS。以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分包括
EtherCAT幀頭、EtherCAT報文。EtherCAT報文又分為
多個子報文，子報文包括子報文頭、數(shù)據(jù)和工作計數(shù)器
收稿日期：2015—03—06；修回日期：2015—04—01
：it基金項目：“高檔數(shù)控與基礎制造裝備”國家科技重大專項，數(shù)控系統(tǒng)功能安全技術研究(2014ZX04009—031)
作者簡介：劉才思(1989一)，男，內蒙古赤峰人，中國科學院大學碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術，(E—mail)iliucaisi@gmail．tom。
(WKC)。EtherCAT也可以使用UDP／IP協(xié)議格式傳
輸EtherCAT數(shù)據(jù)，需要在以太網(wǎng)幀頭和數(shù)據(jù)部分之間
插人IP報頭和UDP報頭。
1．2 EtherCAT通信原理
以太網(wǎng)幀由EtherCAT主站發(fā)送，經(jīng)過每個從站，
一直到網(wǎng)段中的最后一個從站，當拓撲結構中的最后
一個從站設備檢測到其開放端口時，于是就將幀數(shù)據(jù)
返回給主站。每個從站讀取帶有尋址信息的數(shù)據(jù)，同
時在報文經(jīng)過時將數(shù)據(jù)插入到幀中，這種數(shù)據(jù)傳輸方
式稱為移位同步，即從站設備讀寫其相應數(shù)據(jù)，同時將
數(shù)據(jù)幀傳送到下一設備。EtherCAT主站是一個網(wǎng)段
中唯一一個可以主動發(fā)送EtherCAT幀的節(jié)點，所有其
他節(jié)點僅向下游轉發(fā)幀。
EtherCAT主站通過特定的尋址方式選擇從站，當
網(wǎng)絡中有路由器或交換機時，主站根據(jù)目的MAC地址
尋址到目的網(wǎng)段，其中目的地址是目的網(wǎng)段中第一個
從站的MAC地址。當數(shù)據(jù)經(jīng)過第一個網(wǎng)段后，從站將
目的地址和源地址互換，因為數(shù)據(jù)經(jīng)過全部從站后，要
返回給主站。EtherCAT將上述的每個網(wǎng)段，看做成為
一個以太網(wǎng)設備。
2 EtherCAT安全通信機制的設計
2．1 功能安全需求
國際標準IEC 61508中，將功能安全分為傳感器、
通信鏈路、可編程電子設備和執(zhí)行器幾個部分報文在
傳輸過程中，由于隨機、硬件錯誤或系統(tǒng)失效，可導致
的通信錯誤有：
破壞(Corrutpion)，由于總線錯誤、傳輸介質錯誤
或報文沖突，而導致報文受到破壞。如，接收到的報文
未通過CRC校驗。
非預期的重發(fā)(Unintended repetition)，由于錯誤、
故障或沖突，使得報文在非預期的時間點上，出現(xiàn)重
發(fā)。如，發(fā)送方在發(fā)出報文一段時間內，沒有接收到接
收方的確認，而再次發(fā)送原來的報文，導致了通信錯
誤。
亂序(Incorrect sequence)，由于錯誤、故障或沖
突，導致來自某個源站的消息的預定義順序錯誤。如，
報文在傳輸過程中，經(jīng)過存儲轉發(fā)設備時，可能出現(xiàn)報
文被覆蓋或者發(fā)生順序改變。
丟失(Loss)，由于錯誤、故障或沖突，發(fā)出的數(shù)據(jù)
沒有被接收，或者沒有收到確認。
不可接受的延時(Unacceptable delay)，由于傳輸
介質錯誤、傳輸線路阻塞、沖突等，而導致報文延時，并
超出預定義的傳輸時限。
插入(Insertion)，由于故障或沖突，導致插入了一
個未知或非預期源站的報文。
偽裝(Masquerade)，由于故障或沖突，使得非安全
數(shù)據(jù)插入到安全報文中，而接收方卻將其作為安全數(shù)
據(jù)處理。
尋址出錯(Addressing)，由于故障或沖突，使得安
全數(shù)據(jù)發(fā)送到錯誤的目的設備，同時該目的設備將該
報文視作正確報文接收，并做出響應。
此外，還有可能出現(xiàn)的錯誤有：不一致(Unconsistency)，
當一個報文有很多接收方時，不同的接收方以
不同的方式識別數(shù)據(jù)；另外，還有失序(Out—of-se—
quence)、回環(huán)(Loopback)錯誤。
2．2 安全措施
報文在傳輸中，可能發(fā)生如上所述的錯誤：破壞、
非預期的重發(fā)、亂序、丟失、延時、插入、偽裝和尋址錯
誤等。我們制定了如下安全相關的措施：順序號、時間
戳、時間預期、連接認證、回傳、數(shù)據(jù)完整性、交叉校驗
的冗余信息和不同的數(shù)據(jù)完整性系統(tǒng)等。
順序號(Sequence number)，在安全報文中設置順
序號字段，使用預定義的數(shù)字標識報文與報文間的邏
輯順序。
時間戳(Time stamp)，通信發(fā)送方在其發(fā)送報文
中插入時間或時間數(shù)據(jù)，用以表示報文發(fā)送時間。
時間預期(Time expectation)，通常作為接收方用
來判斷連續(xù)報文的時間間隔是否超過預期時間的依
據(jù)，如過超出預期，則認為發(fā)生了通信錯誤?？撮T狗
(Watchdog)定時器，可作為時間預期的應用。
連接認證(Connection authentication)，通過設定系
統(tǒng)中唯一的標識，來表示主站和從站的通信連接關系。
反饋(Feedback message)，接收方在接收到報文之
后，反饋給發(fā)送方的確認信息。
數(shù)據(jù)完整性(Data integrity assurance)，通過差錯
控制編碼技術，在信息中添加冗余碼，用以發(fā)現(xiàn)報文是
否破壞，常見的措施有海明碼、循環(huán)冗余編碼等。
交叉校驗的冗余信息(Redundancy with cross chec—
king)，通過在一個報文中拷貝兩份安全數(shù)據(jù)，或者在將
同一報文中分為兩次發(fā)送，并使用不同的完整性措施，
檢驗兩份數(shù)據(jù)的一致性，來判斷是否是安全數(shù)據(jù)。
不同的數(shù)據(jù)完整性系統(tǒng)(Different integrity assurance
systems)，當安全和非安全相關報文通過同一通信
線路傳輸時，可以通過不同的數(shù)據(jù)完整性方式和數(shù)據(jù)編
碼規(guī)則，來防止非安全相關報文影響安全相關報文。
通信錯誤與相應的安全措施的關系如表1。
表1 通信錯誤與相應的安全措施的關系
安全措施
通信故障 順序 時間 時間 連接 反饋 數(shù)據(jù) 交叉 不同的
完整性 校驗的 數(shù)據(jù)
戳 預期 認證 信息 保證 冗余 完整性
信息 系統(tǒng)
破壞 X X X
非預期 X X X
重發(fā)
亂序 X X X
丟失 X X X
不可接受 X X
的延時
插入 X X X X X
偽裝 X X X
尋址錯誤 X
僅限于串行總線
基于以上研究分析，設計出子報文中的安全幀結
構如圖1所示。
塞全塑堡l 查竺 I壟堡 旦l壁型呈l
圖1 子報文安全幀結構

圖7 轉動慣量變化時的傳統(tǒng)控制響應曲線
(3)正弦追蹤實驗
假設追蹤目標函數(shù)為：65sin(0．7166t)，圖8、圖9
為其誤差曲線。由圖可知，聯(lián)合控制相對于傳統(tǒng)PID
控制有好的跟蹤特性。
圖9 傳統(tǒng)控制誤差曲線
4 結論
本文研究交流伺服系統(tǒng)的位置控制，結合自適應
預測控制、單神經(jīng)PID控制，提出了聯(lián)合控制策略。仿
真實驗結果表明，當系統(tǒng)的參數(shù)擾動及受外部干擾時，
設計的聯(lián)合控制策略可保證系統(tǒng)的魯棒性。
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