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數(shù)控總線的消息安全通信方法

文檔作者：胡毅于東郭銳鋒岳東峰2 劉明烈文檔來(lái)源： 1．中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國(guó)家工程研究中心沈陽(yáng) 110171； 2．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 3．沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2023年07月22日
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第47卷第5期
201 1年3月
機(jī)械工程學(xué)報(bào)
JOU『RNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
v01．47 NO．5
Mar． 201 1
DoI： 10．3901／JM E．2011．O5．134
數(shù)控總線的消息安全通信方
胡毅 于東 郭銳鋒 岳東峰2 劉明烈
(1．中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國(guó)家工程研究中心沈陽(yáng) 110171；
2．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院合肥230027；
3．沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司 沈陽(yáng) 110171)
摘要：針對(duì)數(shù)控總線的異步及同步通信特點(diǎn)，提出一種在數(shù)控總線應(yīng)用層之上對(duì)所傳輸消息采用動(dòng)態(tài)循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclical
redundancy check，CRC)的消息安全通信方法。給出數(shù)控總線安全報(bào)文結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出基于動(dòng)態(tài)CRC校驗(yàn)的安全通信方法及相
應(yīng)算法。采用數(shù)學(xué)手段及試驗(yàn)測(cè)試對(duì)所提出方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行性能比較，證明該方法滿足通信實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)剩余錯(cuò)誤
率有明顯降低，并能完全滿足消息完整性等級(jí)要求。結(jié)果表明，該方法適合于數(shù)控總線消息安全通信的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：數(shù)控總線消息安全動(dòng)態(tài)循環(huán)冗余校驗(yàn)剩余錯(cuò)誤率
中圖分類(lèi)號(hào)：TP393
M essage Safety Communication M ethod for
Computer Numerical Control Fieldbus
HU Yi YU Dong GUO Ruifeng YUE Dongfeng LIU M inglie HE Ping
(1．National Engineering Research Center for High—End CNC，Shenyang Institute of Computing Technology,
Chinese Academy of Sciences，Shenyang 1 1 0 1 7 1；
2．School of Computer Science and Techn ology ,University of Science and Technology of China，
Hefei 230027；
3．Shenyang Golding NC Tech．Co．，Ltd，Shenyang 1 10171)
Abstract：For the asynchronous and synchronous communication of computer numerical control(CNC)fieldbus，a message safety
communication method which adopts dynamic cyclical redundancy check(CRC)upon the application layer is presented．The
structure of CNC fieldbus safety message is proposed，and safety communication method based on dynamic CRC check and
algorithms are deeply researched．And then mathematic me~od and experimental tests are adopted to compare the performances of
the new and traditional methods．The results prove that the new me~od can meet the rea1．time performance，reduce residual error rate
obviously,achieve the requirement of message integrity rating completely,and be more suitable f0r the application of message safety
communication in CNC fieldbus．
Key words： Computer numerical control fieldbus Safety message Dynamic cyclical redundancy check
R． esidual error rate
0 前言
工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)在提高生產(chǎn)速度、管理生產(chǎn)過(guò)程、
合理高效加工以及保證安全生產(chǎn)等方面起到關(guān)鍵性
} 國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2009ZX04009-013)和國(guó)家科技支撐計(jì)劃
(2007BAP20B01)資助項(xiàng)目。20100310收到初稿，20101118收到修改稿
作用。然而，由于通信過(guò)程中一些難以避免的系統(tǒng)
故障、電磁干擾等問(wèn)題，導(dǎo)致消息在傳輸過(guò)程中可
能出現(xiàn)重復(fù)、插入、延時(shí)及偽裝等，消息破壞及丟
包現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，進(jìn)一步導(dǎo)致通信系統(tǒng)錯(cuò)誤，這
給工業(yè)控制帶來(lái)了巨大危險(xiǎn) 】。因此，消息安全通
信已成為工業(yè)通信安全研究的關(guān)鍵問(wèn)題之～。
如何保證消息安全通信，傳統(tǒng)方法一般在通信
平
水 何J2011年3月 胡毅等：數(shù)控總線的消息安全通信方法 135
協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclical
redundancy check，CRC)，同時(shí)為提高校驗(yàn)?zāi)芰?，?duì)
CRC生成的多項(xiàng)式進(jìn)行改進(jìn)研究，但這些方法難以
降低通信過(guò)程中所產(chǎn)生的剩余錯(cuò)誤率[ 。剩余錯(cuò)誤
率是指接收端在對(duì)所收到消息進(jìn)行校驗(yàn)之后，沒(méi)有
被檢測(cè)到的錯(cuò)誤位的數(shù)量與所有傳輸位總數(shù)的比
值。目前數(shù)控系統(tǒng)正朝著開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化及智能化
等方向發(fā)展L3 j，數(shù)控總線作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的一
種【6J，用于連接數(shù)控系統(tǒng)裝置間數(shù)字式、雙向、多
點(diǎn)的通信，其采用了同步和異步兩種通信機(jī)制，在
這兩種機(jī)制下如何保證消息的安全通信是本文研究
重點(diǎn)。
基于此，本文提出一種用于數(shù)控總線的消息安
全通信方法，消息發(fā)送前在應(yīng)用層之上利用動(dòng)態(tài)
CRC進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)采用對(duì)消息進(jìn)行連續(xù)編號(hào)等機(jī)
制封裝安全報(bào)文。通過(guò)該方法有效降低了剩余錯(cuò)誤
率，保障了消息的安全性。
1 研究背景
如何采取有效措施以保障消息安全是總線通信
安全研究的關(guān)鍵 1。DZUNG等[1]針對(duì)消息傳輸、訪
問(wèn)控制等問(wèn)題，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)分層的安全保
護(hù)機(jī)制。RAHMANI等【2】針對(duì)剩余錯(cuò)誤率問(wèn)題，提
出了一種對(duì)數(shù)據(jù)包的包頭編號(hào)和包尾CRC 校驗(yàn)的
機(jī)制進(jìn)行消息保護(hù)。與總線通信安全研究相關(guān)的標(biāo)
準(zhǔn)主要有歐洲EN 50159—2標(biāo)準(zhǔn)、IEC 61508．2標(biāo)準(zhǔn)
以及最近的IEC 61784—3標(biāo)準(zhǔn)【8 】。在安全性設(shè)計(jì)上，
用戶希望新設(shè)計(jì)的安全總線具有現(xiàn)存總線向上兼容
的能力， 目的是方便使用現(xiàn)有總線的設(shè)備和相關(guān)知
識(shí)。從這些需求出發(fā)，IEC 61784—3標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)有總線
協(xié)議上提出了安全通信層，用以處理通信過(guò)程中的
消息錯(cuò)誤L9J。圖1所示為基于“黑通道”機(jī)制的IEC
61784—3現(xiàn)場(chǎng)總線功能安全通信模型。
IEC 61 784功能安 IEC． 617 4功 安
全通信行規(guī) 全通信行規(guī)
全通信 l薏協(xié) 議廠l — 翌買(mǎi) 一
應(yīng)用層l／ ＼ l應(yīng)用層l應(yīng)用
亟
物理層I I物理層l物理
部通信
6
現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)
圖1 IEC 61784．3功能安全通信模型
1．1 現(xiàn)有安全總線
基于上述標(biāo)準(zhǔn)， 目前安全總線主流研究方向是
將安全保護(hù)措施封裝在安全通信層，現(xiàn)有安全總線
協(xié)議主要有Profisafe、Interbus Safety、CANopen
Safety、EtherCat Safety等，如表1所示。
表1 現(xiàn)有安全總線及其安全保護(hù)措施
Profisafe安全協(xié)議是在Profibus總線協(xié)議基礎(chǔ)
上增加了安全通信層[10-11]。安全通信層封裝的安全
報(bào)文由安全數(shù)據(jù)、狀態(tài)／控制位、報(bào)文編號(hào)以及傳統(tǒng)
CRC．16／32校驗(yàn)方式等構(gòu)成，如圖2所示。
安全數(shù)據(jù) l狀態(tài)腔制字 報(bào)文編號(hào) CRC2 Standard Data
Max12．122Bytesl 1Byte 1Byte 2／4 BytesI剩余空間
最大為244 Bytes的Proflbus-DP處理數(shù)據(jù)
圖2 Profisafe安全報(bào)文
但Profisafe安全機(jī)制存在以下問(wèn)題。
(1)Profisafe安全報(bào)文采用了傳統(tǒng)CRC校驗(yàn)方
式對(duì)安全數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，所以通信過(guò)程中如果存在
連續(xù)多個(gè)相同的安全數(shù)據(jù)，則會(huì)產(chǎn)生連續(xù)多個(gè)相同
的CRC校驗(yàn)值，這可能使接收端無(wú)法判斷新接收到
的數(shù)據(jù)包是有效數(shù)據(jù)包還是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包。
(2)Profisafe采用了報(bào)文編號(hào)在一定程度上可
避免問(wèn)題1的產(chǎn)生，但由于其為保證短幀傳輸，只
使用了8位報(bào)文編號(hào)，所以如果通信過(guò)程中存在連
續(xù)多個(gè)相同的安全數(shù)據(jù)，每255個(gè)循環(huán)重復(fù)一次，
則也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)多個(gè)完全相同的數(shù)據(jù)包。如果存在
緩沖延遲，則也會(huì)導(dǎo)致接收端可能無(wú)法正確判斷。
InterbUS Safety安全協(xié)議是在Interbus總線協(xié)議
基礎(chǔ)上增加一個(gè)SafeControl控制模塊，該模塊專(zhuān)門(mén)
用于檢測(cè)安全報(bào)文，安全報(bào)文的傳輸正確與否通過(guò)
傳輸檢測(cè)位CRC—LoopbackWord的測(cè)試來(lái)確定，其
CRC 校驗(yàn)采用傳統(tǒng)的CRC．16檢測(cè)機(jī)制L7 J。
CANopen Safety安全協(xié)議是在CANopen總線協(xié)議
基礎(chǔ)上定義了安全相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)象(Safety．related
data object，SRDO)用于安全報(bào)文傳輸，但SRDO的
CRC 校驗(yàn)仍然采用了傳統(tǒng)CRC 檢測(cè)機(jī)制 J。
CC—Link Safety安全協(xié)議是在CC—Link總線協(xié)議基
礎(chǔ)上增加了安全功能層，用于安全報(bào)文的傳輸和傳
輸錯(cuò)誤的檢測(cè)。在CC．Link Safety安全協(xié)議中，主

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