[發明專利]現場總線數據傳輸

有效

• 申請號: 201380020477.X
• 申請日: 2013-04-04
• 公開（公告）號: CN104247326B
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 菲立克斯·維喬雷克;法蘭克·席勒
• 申請（專利權）人: 德商倍福自動化有限公司
• 主分類號: H04L9/06
• 分類號: H04L9/06;H04L9/32;H04L29/06;G05B19/418
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 陳新

本發明涉及一種用于在至少兩個通信用戶之間的現場總線系統中傳輸信息的現場總線數據傳輸，每一個通信用戶包括安全層，所述安全層具有誤差安全層與信息安全層，所述誤差安全層保護數據防止隨機的數據傳輸誤差，所述信息安全層防止數據的操控及/或數據的未授權讀取；在進行傳輸的通信用戶中，要傳輸的數據是先通過所述誤差安全層，然后通過所述信息安全層，而在進行接收的通信用戶中，數據是先通過所述信息安全層，然后通過所述誤差安全層。

本發明與一種用于在現場總線系統中的至少兩個通信用戶之間傳輸數據分組形式的信息的方法、針對這種現場總線系統的通信用戶、以及所述現場總線系統有關。

在工業自動化中，技術處理受到計算機的控制與監測。而在通信方面，例如傳感器與致動器之類的現場裝置會被連接以通過現場總線來控制計算機。一般而言，現場總線具有實時能力。

在現場裝置與控制計算機之間傳輸信息時，現場總線系統的基本需求是誤差安全性。在工業自動化中，在控制與監測技術處理時，必須保證現場總線系統在故障操作時不對人員與環境發生危險。為了這個理由，現場總線系統通常是根據所謂的故障-安全原理來操作，現場總線系統是根據所述故障-安全原理在重要組件故障時切換至安全狀態。在執行這類安全性相關控制功能時，為了保證在現場裝置與控制計算機之間的數據交換不會以偽造或至少可辨識的偽造方式進行，在現場總線上會實施所謂的安全措施。在此上下文中，安全措施的目的是要發現在用戶數據傳輸期間具有高概率的誤差，以將未檢測誤差可能引起的危險最小化。這些安全措施的焦點在于數據傳輸期間發生的特別隨機誤差。

作為安全措施，在現場總線系統中的通信用戶通常會進行校驗和程序(例如循環冗余校驗-CRC)，其中校驗和是在數據傳輸之前從用戶數據計算而得，然后以數據分組進行傳輸，例如與用戶數據一起傳輸。為了確定無誤差的數據傳輸，會在接收側上對所接收的用戶數據及所接收的校驗和應用相應計算法。計算的結果顯示是否已經發生了非偽造的現場數據傳輸。

除了發現隨機誤差的必要性以外，在數據傳輸期間的另一個逐漸常發生的問題是保護在現場總線系統中傳輸的信息的完整性免受攻擊。所謂的保全措施的目的為具體保護信息不受未經授權的修改。此外，進一步的保全措施通常用于防護數據的機密性而防止未經授權的讀取。為此目的，通常會應用加密方法來防護信息免受攻擊。為了在現場總線系統中的通信用戶之間提供快速的數據交換以執行實時任務，可使用對稱的加密方法，其中多個通信用戶使用相同的密鑰。

由于誤差控制與信息保全的不同目的之故，現場總線系統中的安全或保全措施通常是彼此獨立地開發與實現。然而，當結合安全性與保全方法時，會發生程序彼此影響，因而無法完全達到保護目的。就現場總線系統中的安全措施而言，通常是應用所謂的黑信道原理，其中通信用戶各包括誤差安全層，其完全無視現場總線上的傳輸行為，且情況可能是，在驗證程序中并未適當考慮現場總線上進行的保全措施，導致對質量的可能沖擊。

在考慮安全措施的架構內的誤差時，現場總線即更進一步被視為二元對稱性信道，在其上方符號會被彼此獨立地偽造且具有相同的概率，使得符號1的錯誤傳輸概率與符號0的錯誤傳輸概率一樣高。然而，在對數據分別地進行加密或解密的保全層中，是以完全不再應用二元對稱通道假設的方式來改變通信信道。由于加密通常是針對加密數據的偽隨機相等分布，因此會發生再也無法觀察到安全措施所需的確定條件(例如漢明距離)。漢明距離(Hamming distance)表明在一組數據中有多少符號至少需要被偽造，使得與安全措施有關的未經辨識竄改可完全發生。

在現場總線系統中，需要從傳輸器到接收器一直保證現場總線系統中安全措施的一致性。若保全措施是在現場總線系統的通信用戶中安全措施之前于傳輸期間進行，則必須由進一步的安全措施(例如額外的冗余)來防護所述保全措施，進以確保誤差控制。