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数控总线的消息安全通信方法

文档作者：胡毅于东郭锐锋岳东峰2 刘明烈文档来源： 1．中国科学院沈阳计算技术研究所高档数控国家工程研究中心沈阳 110171； 2．中国科学技术大学计算机科学与技术学院 3．沈阳高精数控技术有限公司		点击数：	更新时间： 2023年07月22日
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第47卷第5期
201 1年3月
机械工程学报
JOU『RNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
v01．47 NO．5
Mar． 201 1
DoI： 10．3901／JM E．2011．O5．134
数控总线的消息安全通信方
胡毅 于东 郭锐锋 岳东峰2 刘明烈
(1．中国科学院沈阳计算技术研究所高档数控国家工程研究中心沈阳 110171；
2．中国科学技术大学计算机科学与技术学院合肥230027；
3．沈阳高精数控技术有限公司 沈阳 110171)
摘要：针对数控总线的异步及同步通信特点，提出一种在数控总线应用层之上对所传输消息采用动态循环冗余校验(Cyclical
redundancy check，CRC)的消息安全通信方法。给出数控总线安全报文结构，设计出基于动态CRC校验的安全通信方法及相
应算法。采用数学手段及试验测试对所提出方法与传统方法进行性能比较，证明该方法满足通信实时性要求，同时剩余错误
率有明显降低，并能完全满足消息完整性等级要求。结果表明，该方法适合于数控总线消息安全通信的应用。
关键词：数控总线消息安全动态循环冗余校验剩余错误率
中图分类号：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
工业通信网络在提高生产速度、管理生产过程、
合理高效加工以及保证安全生产等方面起到关键性
} 国家科技重大专项课题(2009ZX04009-013)和国家科技支撑计划
(2007BAP20B01)资助项目。20100310收到初稿，20101118收到修改稿
作用。然而，由于通信过程中一些难以避免的系统
故障、电磁干扰等问题，导致消息在传输过程中可
能出现重复、插入、延时及伪装等，消息破坏及丢
包现象也时有发生，进一步导致通信系统错误，这
给工业控制带来了巨大危险 】。因此，消息安全通
信已成为工业通信安全研究的关键问题之～。
如何保证消息安全通信，传统方法一般在通信
平
水 何J2011年3月 胡毅等：数控总线的消息安全通信方法 135
协议的数据链路层进行循环冗余校验(Cyclical
redundancy check，CRC)，同时为提高校验能力，对
CRC生成的多项式进行改进研究，但这些方法难以
降低通信过程中所产生的剩余错误率[ 。剩余错误
率是指接收端在对所收到消息进行校验之后，没有
被检测到的错误位的数量与所有传输位总数的比
值。目前数控系统正朝着开放式、网络化及智能化
等方向发展L3 j，数控总线作为工业通信网络的一
种【6J，用于连接数控系统装置间数字式、双向、多
点的通信，其采用了同步和异步两种通信机制，在
这两种机制下如何保证消息的安全通信是本文研究
重点。
基于此，本文提出一种用于数控总线的消息安
全通信方法，消息发送前在应用层之上利用动态
CRC进行校验，同时采用对消息进行连续编号等机
制封装安全报文。通过该方法有效降低了剩余错误
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总线通信
安全研究的关键 1。DZUNG等[1]针对消息传输、访
问控制等问题，提出了一种基于网络分层的安全保
护机制。RAHMANI等【2】针对剩余错误率问题，提
出了一种对数据包的包头编号和包尾CRC 校验的
机制进行消息保护。与总线通信安全研究相关的标
准主要有欧洲EN 50159—2标准、IEC 61508．2标准
以及最近的IEC 61784—3标准【8 】。在安全性设计上，
用户希望新设计的安全总线具有现存总线向上兼容
的能力， 目的是方便使用现有总线的设备和相关知
识。从这些需求出发，IEC 61784—3标准在现有总线
协议上提出了安全通信层，用以处理通信过程中的
消息错误L9J。图1所示为基于“黑通道”机制的IEC
61784—3现场总线功能安全通信模型。
IEC 61 784功能安 IEC． 617 4功 安
全通信行规 全通信行规
全通信 l薏协 议厂l — 翌买 一
应用层l／ ＼ l应用层l应用
亟
物理层I I物理层l物理
部通信
6
现场总线网络
图1 IEC 61784．3功能安全通信模型
1．1 现有安全总线
基于上述标准， 目前安全总线主流研究方向是
将安全保护措施封装在安全通信层，现有安全总线
协议主要有Profisafe、Interbus Safety、CANopen
Safety、EtherCat Safety等，如表1所示。
表1 现有安全总线及其安全保护措施
Profisafe安全协议是在Profibus总线协议基础
上增加了安全通信层[10-11]。安全通信层封装的安全
报文由安全数据、状态／控制位、报文编号以及传统
CRC．16／32校验方式等构成，如图2所示。
安全数据 l状态腔制字 报文编号 CRC2 Standard Data
Max12．122Bytesl 1Byte 1Byte 2／4 BytesI剩余空间
最大为244 Bytes的Proflbus-DP处理数据
图2 Profisafe安全报文
但Profisafe安全机制存在以下问题。
(1)Profisafe安全报文采用了传统CRC校验方
式对安全数据进行校验，所以通信过程中如果存在
连续多个相同的安全数据，则会产生连续多个相同
的CRC校验值，这可能使接收端无法判断新接收到
的数据包是有效数据包还是错误数据包。
(2)Profisafe采用了报文编号在一定程度上可
避免问题1的产生，但由于其为保证短帧传输，只
使用了8位报文编号，所以如果通信过程中存在连
续多个相同的安全数据，每255个循环重复一次，
则也会产生连续多个完全相同的数据包。如果存在
缓冲延迟，则也会导致接收端可能无法正确判断。
InterbUS Safety安全协议是在Interbus总线协议
基础上增加一个SafeControl控制模块，该模块专门
用于检测安全报文，安全报文的传输正确与否通过
传输检测位CRC—LoopbackWord的测试来确定，其
CRC 校验采用传统的CRC．16检测机制L7 J。
CANopen Safety安全协议是在CANopen总线协议
基础上定义了安全相关数据对象(Safety．related
data object，SRDO)用于安全报文传输，但SRDO的
CRC 校验仍然采用了传统CRC 检测机制 J。
CC—Link Safety安全协议是在CC—Link总线协议基
础上增加了安全功能层，用于安全报文的传输和传
输错误的检测。在CC．Link Safety安全协议中，主

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