CN104254990A - 通信装置和通信方法 - Google Patents

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Abstract

第一通信装置通过使用数据和虚拟序列号来计算用于检测数据中的错误的数据错误检测码，并且产生包括数据和数据错误检测码的包。所述包不包括用于计算错误检测的虚拟序列号。第一通信装置将包传输至第二通信装置。

Description

通信装置和通信方法
技术领域
本公开涉及一种通信装置和一种通信方法，并且更特别地涉及一种安全通信装置和安全通信方法。
背景技术
目前寻找到了用于在工业领域中使用的安全通信的解决方案。特别是，工业控制系统被要求保持通过网络传输的信息的规定水平或较高水平的完整性，以确保工人的安全、避免对环境的威胁以及防止发生与安全相关的问题。
为了满足这种完整性要求，工业控制系统被要求处理关于崩溃、无意识的重复、不正确序列、丢失、无法接受的延迟、插入、伪装和寻址的问题。
关于崩溃的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定正在传输的数据中是否发生错误。
关于无意识重复的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定非人为恶意的数据重复是否正常发生。
关于不正确序列的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定数据传输的序列是否发生了变化。
关于丢失问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定传输数据的一部分是否损坏。
关于无法接受的延迟的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定在数据传输过程中是否发生了无法接受的延迟。
关于插入的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定在传输数据的同时是否插入了非计划的数据。
关于伪装的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定数据是否被人为恶意地篡改。
关于寻址的问题，工业控制系统应该能够以规定或较高水平的概率判定数据是否被传输至正确的接收方。
IEC 61508使用如下列表1中所示的SIL表示错误发生的概率。
表1
SIL4 >＝10-9,<10-8
SIL3 >＝10-8,<10-7
SIL2 >＝10-7,<10-6
SIL1 >＝10-6,<10-5
例如，为了满足SIL3,错误发生的概率应该满足10-9。
然而，对于当前的以太网帧结构来说，很难满足工业控制系统的完整性要求。
发明内容
技术问题
实施例提供一种满足工业控制系统的完整性要求的通信装置和通信方法。
技术方案
在一个实施例中，一种由第一通信装置将数据传输至第二通信装置的通信方法，包括：由所述第一通信装置使用数据和虚拟序列号来计算用于检测数据错误的数据错误检测码；由所述第一通信装置产生包括数据和数据错误检测码的包；以及由所述第一通信装置将所述包传输至所述第二通信装置。所述包可不包括用于单独传输虚拟序列号的字段。
在另一个实施例中，一种由第一通信装置接收来自第二通信装置的数据的通信方法，包括：由所述第一通信装置接收来自所述第二通信装置的包；由所述第一通信装置从所述包获取数据和接收的数据错误检测码；由所述第一通信装置使用虚拟序列号和数据来计算用于比较的数据错误检测码；以及由所述第一通信装置，基于所述接收的数据错误检测码和所述用于比较的数据错误检测码来判定所述包是否具有错误。所述包可不包括用于单独传输虚拟序列号的字段。
有益效果
根据本公开的实施例，能够满足工业控制系统的完整性要求。
特别是，根据本公开的实施例，能够检测出诸如无意识重复、不正确序列、丢失和插入的错误。
附图说明
图1为示出了根据实施例的安全通信装置的框图。
图2为示出了根据实施例的通信方法的梯形图。
图3示出了根据实施例的安全协议数据单元的结构。
图4示出了根据实施例的以太网帧的结构。
图5为示出了根据实施例的关于虚拟序列号的通信方法的梯形图。
图6为示出了根据另一个实施例的关于虚拟序列号的通信方法的梯形图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述与实施例相关的移动终端。在下列描述中，为了方便，将用于指代元件的术语“模块”和“单元”分配给元件并且互换地使用，因此，术语本身不必表示不同的意义或功能。
在下文中，将参照附图描述根据实施例的安全通信装置和安全通信方法。
图1为示出了根据实施例的安全通信装置的框图。
如图1所示，根据实施例的安全通信装置100包括错误检测码计算单元110、协议数据单元(PDU)产生单元120、以太网帧产生单元130、数据传输单元140、数据接收单元150、以太网帧分析单元160、协议数据单元分析单元170、错误检测单元180以及控制单元190。
控制单元190产生安全数据并且将产生的安全数据提供给错误检测码计算单元110。
错误检测码计算单元110使用安全数据计算安全数据的数据错误检测码。
协议数据单元产生单元120产生安全协议数据单元，该安全协议数据单元包括所计算出的数据错误检测码和产生的安全数据。在本文中，安全协议数据单元可被称为包。
以太网帧产生单元130产生以太网帧，该以太网帧包括产生的安全协议数据单元。
数据传输单元140将产生的以太网帧传输至另一个安全通信装置。通过这种方式，数据传输单元140将产生的安全协议数据单元传输至其他安全通信装置。
数据接收单元150接收来自其他安全通信装置的包括安全协议数据单元的以太网帧。
以太网帧分析单元160分析接收到的以太网帧以获取安全协议数据单元。
协议数据单元分析单元170分析协议数据单元以获取数据错误检测码和安全数据。
错误检测单元180使用安全数据计算数据错误检测码，然后比较所计算的数据错误检测码和获取的数据错误检测码，以检测错误。在所计算的数据错误检测码等于获取的数据错误检测码的情况下，错误检测单元180判定在安全数据中未发生错误。反之，在所计算的数据错误检测码不同于获取的数据错误检测码的情况下，错误检测单元180判定在安全数据中已经发生错误。
当判定在安全数据中已经发生错误时，控制单元190将安全通信装置100的工作状态更改为自动防故障状态。在自动防故障状态下，安全通信装置100暂停安全通信直到接收到用于重置的用户输入为止。特别是，在自动防故障状态下，安全通信装置100可能暂停或可能不暂停除了与安全数据有关的通信以外的通信，但至少暂停与安全数据有关的通信。
当判定在安全数据中没有发生错误时，控制单元190产生接下来待被传输的安全数据。如果接收到的安全数据是与请求有关，那么控制单元190产生与响应有关的安全数据。如果接收到的安全数据是与响应有关，那么控制单元190产生与下一个请求有关的安全数据。
图2为示出了根据实施例的通信方法的梯形图。
如图2所示，假定了第一安全通信装置100A与第二通信装置100B通信，第一安全通信装置100A将安全协议数据单元请求传输至第二安全通信装置100B，并且第二安全通信装置100B将安全协议数据单元响应传输至第一安全通信装置100A。
第一安全通信装置100A的控制单元190产生用于请求的安全数据(操作S101)。第一安全通信装置100A可产生请求安全数据以及与请求安全数据有关的安全报头数据。
当产生请求安全数据时，第一安全通信装置100A的错误检测码计算单元110使虚拟序列号增加一级(操作S102)。这里，一级可为1或大于1的自然数。虚拟序列号表示之后要产生的安全协议数据单元的序列号，并且不包含在安全协议数据单元内。即，安全协议数据单元可不包括用于单独传输虚拟序列号的字段。当第一安全通信装置100A被重置时，第一安全通信装置100A的错误检测码计算单元110重置虚拟序列号。
第一安全通信装置100A的错误检测码计算单元110使用安全数据和虚拟序列号来计算安全数据的数据错误检测码(操作S103)。这里，第一安全通信装置100A的错误检测码计算单元110可使用安全数据和虚拟序列号来计算用于检测安全报头数据的错误的报头错误检测码。错误检测码可为循环冗余码校验(CRC)值。
尤其是，如下列等式1所示，第一安全通信装置100A的错误检测码计算单元110可使用报头字段(header field)、唯一标识符和虚拟序列号(virtualsequence number)来计算报头错误检测码HEADER_CRC。这里，唯一标识符可以是安全唯一标识符(SUID)。
等式1
HEADER_CRC：＝f(SUID，Virtual_Sequence_Number,Header_field)
在等式1中，f表示哈希函数。
安全唯一标识符可表示第一安全通信装置100A和第二安全通信装置100B之间的连接关系。尤其是，通过组合介质访问控制(MAC)地址、源装置标识符、目的MAC地址和目的装置标识符可产生安全唯一标识符。因为第一安全通信装置100A传输安全数据并且第二安全通信装置100B接收安全数据，所以第一安全通信装置100A是源而第二安全通信装置100B是目的地。在这种情况下，安全唯一标识符可为第一安全通信装置100A的MAC地址、第一安全通信装置100A的装置标识符、第二安全通信装置100B的MAC地址和第二安全通信装置100B的装置标识符的组合。安全唯一标识符可仅用于计算错误检测码，其不包含在安全PDU内。
虚拟序列号可表示安全PDU的序列号。第一安全通信装置100A使用虚拟序列号来计算错误检测码，但不将虚拟序列号传输至第二安全通信装置100B。
如下列等式2所示，第一安全通信装置100A的错误检测码计算单元110可使用安全数据(safety data)、唯一标识符和虚拟序列号来计算数据错误检测码DATA_CRC。这里，唯一标识符可以是安全唯一标识符(SUID)。
等式2
DATA_CRC：＝f(SUID,Virtual_Sequence_Number,Safety_Data)
在等式2中，f表示哈希函数。
第一安全通信装置100A的协议数据单元产生单元120产生安全协议数据单元，该安全协议数据单元包括安全数据和所计算的数据错误检测码。这里，安全协议数据单元还可包括安全报头数据和所计算的报头错误检测码。将参照图3描述根据实施例的安全协议数据单元的结构。
图3示出了根据实施例的安全协议数据单元的结构。
如图3所示，安全协议数据单元顺序地包括安全PDU报头和安全PDU有效载荷。安全PDU报头顺序地包括安全报头字段和报头错误检测码。安全PDU有效载荷顺序地包括安全数据和数据错误检测码。尤其是，在安全协议数据单元的最前部可设置安全PDU报头。安全PDU报头顺序地包括命令字段和保留字段。安全数据可以是与安全PDU报头有关。尤其是，安全数据可以是与命令字段有关。尤其是，在图3的实施例中，安全报头字段具有四个八位字节的大小，命令字段具有两个八位字节的大小，保留字段具有两个八位字节的大小，报头错误检测码具有四个八位字节的大小，以及数据错误检测码具有四个八位字节的大小；然而，字段的大小不是必须限于此。一个八位字节通常表示8比特。
表2示出了根据实施例的命令字段的值的示例。
[表2]
命令 描述
0x01 重置
0x02 连接
0x03 参数
0x04 数据
如表2所示，如果命令字段的值是0x01，那么安全数据可表示重置命令。如果命令字段的值为0x02，那么安全数据可表示连接命令。如果命令字段的值是0x03，那么安全数据可表示参数传输命令。如果命令字段的值是0x04，那么安全数据可表示数据传输命令。
尤其是，图2的实施例可对应于连接状态中的通信方法，在该连接状态中，命令字段具有对应于连接命令的值。在连接状态中，第一安全通信装置100A可对应于发起者，并且第二安全通信装置100B可对应于响应者。发起者处于请求安全数据被传输至响应者但响应安全数据没有被传输的模式中。响应者处于响应安全数据被传输至发起者但请求安全数据没有被传输的模式中。
保留字段可在之后用于其它目的。
如图3所示，安全协议数据单元可不包括虚拟序列号。即，安全协议数据单元可不包括用于单独传输虚拟序列号的字段。
将再次描述图2。
第一安全通信装置100A的以太网帧产生单元130产生包括请求安全数据的以太网帧(操作S107)。这里，以太网帧可包括所产生的安全协议数据单元。将参照图4描述根据实施例的以太网帧的结构。
图4示出了根据实施例的以太网帧的结构。
如图4所示，以太网帧顺序地包括以太网帧头、以太网有效载荷和帧校验序列(FCS)。以太网帧包括作为有效载荷的安全PDU。以太网帧头包括前导字段、目的地址字段、源地址字段以及类型字段。目的地址字段包含对应于目的地的安全通信装置的地址，源地址字段包含对应于源的安全通信装置的地址。使用以太网帧头内的数据和有效载荷内的数据可产生帧校验序列。
将再次描述图2。
第一安全通信装置100A的数据传输单元140将包括请求安全数据的以太网帧传输至第二安全通信装置100B(操作S109)。通过这种方式，数据传输单元140可将所产生的安全协议数据单元传输至第二安全通信装置100B。
第二安全通信装置100B的数据接收单元150接收来自第一安全通信装置100A的以太网帧，该以太网帧包括与请求有关的安全协议数据单元(操作S111)。这里，以太网帧可具有如图4所示的结构。
第二安全通信装置100B的以太网帧分析单元160分析所接收的以太网帧以获取安全协议数据单元(操作S113)。这里，安全协议数据单元可具有如图3所示的结构。
第二安全通信装置100B的协议数据单元分析单元170分析协议数据单元以获取安全报头数据、接收的报头错误检测码、请求安全数据和接收的数据错误检测码(操作S115)。
当安全协议单元被接收到并且请求安全数据被获取到时，第二安全通信装置100B的错误检测单元180使由其管理的虚拟序列号增加一级(操作S116)。如上所述，一级可以为1或大于1的自然数。
第二安全通信装置100B的错误检测单元180使用请求安全数据和增加后的虚拟序列号来计算用于比较的数据错误检测码(操作S117)。此外，第二安全通信装置100B的错误检测单元180可使用安全报头数据和增加后的虚拟序列号来计算用于比较的报头错误检测码。
尤其是，第二安全通信装置100B的错误检测单元180可使用等式1计算用于比较的报头错误检测码。
此外，第二安全通信装置100B的错误检测单元180可使用等式2计算用于比较的数据错误检测码。
第二安全通信装置100B的错误检测单元180比较所计算的错误检测码和所获取的错误检测码以检测错误(操作S119)。在用于比较的数据错误检测码等于所接收的数据错误检测码并且用于比较的报头错误检测码等于所接收的报头错误检测码的情况下，错误检测单元180可判定在安全数据中没有发生错误。反之，在用于比较的数据错误检测码不同于所接收的数据错误检测码或者用于比较的报头错误检测码不同于所接收的报头错误检测码的情况下，错误检测单元180可判定在安全数据中已经发生错误。
当判定在安全数据中已经发生错误时，第二安全通信装置100B的控制单元190将安全通信装置100的操作状态更改为自动防故障的状态(操作S121)。在自动防故障的状态中，安全通信装置100暂停安全通信直到接收到用于重置的用户输入为止。尤其是，在自动防故障的状态中，安全通信装置100可暂停或可不暂停除了与安全数据有关的通信以外的通信，但是至少暂停与安全数据有关的通信。
当判定在安全数据中没有发生错误时，第二安全通信装置100B的控制单元190使用所接收的请求安全数据(操作S123)，并且产生接下来待被传输的响应安全数据(操作S125)。
如在上文中对于操作S101-S109所述的，第二安全通信装置100B的错误检测码计算单元110、协议数据单元产生单元120、以太网帧产生单元130和数据传输单元140产生包括响应安全PDU的以太网帧(该响应安全PDU包括响应安全数据)，然后将以太网帧传输至第一安全通信装置100A(操作S127)。在一个实施例中，当传输请求安全数据时可使虚拟序列号增加，并且当传输响应安全数据时可使虚拟序列号增加。在另一个实施例中，当传输请求安全数据时可使虚拟序列号增加，但是当传输响应安全数据时可不改变虚拟序列号。
如上文中对于操作S111至S123所述的，第一安全通信装置100A的数据接收单元150、以太网帧分析单元160、协议数据单元分析单元170、错误检测单元180和控制单元190接收包括响应安全PDU的以太网帧、进行错误检测并且使用响应安全数据。在一个实施例中，当接收到请求安全数据时可使虚拟序列号增加，并且当接收到响应安全数据时可使虚拟序列号增加。在另一个实施例中，当接收到请求安全数据时可使虚拟序列号增加，但是当接收到响应安全数据时可不改变虚拟序列号。
图5为示出了根据实施例的与虚拟序列号有关的通信方法的梯形图。
首先，假定由第一和第二安全通信装置100A和100B管理的虚拟序列号具有值N。
当产生请求安全数据时，第一安全通信装置100A使虚拟序列号增加1，以传输包括请求安全数据的包(操作S201)。
第一安全通信装置100A使用增加后的虚拟序列号N+1产生CRC值，并且将包括所产生的CRC和请求安全数据的请求安全包传输至第二安全通信装置100B(操作S203)。即，该请求安全包的虚拟序列号为N+1。
当接收到包括请求安全数据的请求安全包时，第二安全通信装置100B使虚拟序列号N增加1(操作S205)。
第二安全通信装置100B使用增加后的虚拟序列号N+1检查请求安全包是否具有错误(操作S207)。
在下文中，当产生响应安全数据时，第二安全通信装置100B使虚拟序列号N+1增加1，以传输包括响应安全数据的响应安全包(操作S209)。
第二安全通信装置100B使用增加后的虚拟序列号N+2产生CRC值，并且将包括所产生的CRC和响应安全数据的响应包传输至第一安全通信装置100A(操作S211)。即，该响应安全包的虚拟序列号为N+2。
当接收到响应安全包时，第一安全通信装置100A使虚拟序列号N+1增加1(操作S213)。
第一安全通信装置100A使用增加后的虚拟序列号N+2检查响应安全包是否具有错误(操作S215)。
操作S217至S231是操作S201至S215的重复。
图6为示出了根据另一个实施例的与虚拟序列号有关的通信方法的梯形图。
首先，假定由第一和第二安全通信装置100A和100B管理的虚拟序列号具有值N。
当产生请求安全数据时，第一安全通信装置100A使虚拟序列号增加1，以传输包括请求安全数据的包(操作S301)。
第一安全通信装置100A使用增加后的虚拟序列号N+1产生CRC值，并且将包括所产生的CRC和请求安全数据的请求安全包传输至第二安全通信装置100B(操作S303)。即，该请求安全包的虚拟序列号为N+1。
当接收到包括请求安全数据的请求安全包时，第二安全通信装置100B使虚拟序列号增加1(操作S305)。
第二安全通信装置100B使用增加后的虚拟序列号N+1检查请求安全包是否具有错误(操作S307)。
在下文中，尽管产生了响应安全数据，但是第二安全通信装置100B保持所管理的虚拟序列号N+1不变以传输包括响应安全数据的响应安全包。
第二安全通信装置100B使用当前的虚拟序列号N+1产生CRC值，并且将包括所产生的CRC和响应安全数据的响应包传输至第一安全通信装置100A(操作S311)。即，该响应安全包的虚拟序列号为N+1。当接收到响应安全包时，第一安全通信装置100A保持虚拟序列号N+1不变。
第一安全通信装置100A使用当前的虚拟序列号N+1检查响应安全包是否具有错误(操作S315)。
操作S317至S331是操作S301至S315的重复。
根据实施例，使用记录程序的介质内的处理器可读码可实施上述方法。处理器可读记录介质包括例如ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置，并且还可以以载波形式实施(例如，通过因特网传输)。
上述移动终端不限于上述实施例的配置和方法。每个实施例的整体或部分可选择性地彼此组合以进行各种修改。

Claims (16)

1.一种由第一通信装置将数据传输至第二通信装置的通信方法，所述通信方法包括：
由所述第一通信装置使用数据和虚拟序列号来计算用于检测数据的错误的数据错误检测码；
由所述第一通信装置产生包括数据和数据错误检测码的包；以及
由所述第一通信装置将所述包传输至所述第二通信装置。
2.根据权利要求1所述的通信方法，其中，所述包不包括用于单独传输所述虚拟序列号的字段。
3.根据权利要求2所述的通信方法，包括：在数据为请求数据的情况下，使所述虚拟序列号增加，其中，计算所述数据错误检测码包括使用数据和增加后的虚拟序列号来计算所述数据错误检测码。
4.根据权利要求3所述的通信方法，其中，在数据为响应数据的情况下，不改变所述虚拟序列号。
5.根据权利要求3所述的通信方法，包括：在数据为响应数据的情况下，使所述虚拟序列号增加，其中，计算所述数据错误检测码包括使用数据和增加后的虚拟序列号来计算所述数据错误检测码。
6.根据权利要求3所述的通信方法，包括：
由所述第一通信装置使用报头数据和所述虚拟序列号来计算用于检测报头数据的错误的报头错误检测码，其中
产生所述包包括产生包括所述报头数据、所述报头错误检测码、数据和所述数据错误检测码的所述包。
7.根据权利要求6所述的通信方法，其中
计算所述报头错误检测码包括进一步使用唯一标识符来计算所述报头错误检测码，其中
所述唯一标识符表示所述第一通信装置和所述第二通信装置之间的连接关系。
8.一种由第一通信装置接收来自第二通信装置的数据的通信方法，所述通信方法包括：
由所述第一通信装置接收来自所述第二通信装置的包；
由所述第一通信装置从所述包获取数据和接收的数据错误检测码；
由所述第一通信装置使用虚拟序列号和所述数据计算用于比较的数据错误检测码；以及
由所述第一通信装置，基于所述接收的数据错误检测码和所述用于比较的数据错误检测码来判定所述包是否具有错误。
9.根据权利要求8所述的通信方法，其中，所述包不包括用于单独传输所述虚拟序列号的字段。
10.根据权利要求9所述的通信方法，包括：在所述数据为请求数据的情况下，使所述虚拟序列号增加，其中，计算所述用于比较的数据错误检测码包括使用所述请求数据和增加后的虚拟序列号来计算所述用于比较的数据错误检测码。
11.根据权利要求10所述的通信方法，其中，在所述数据为响应数据的情况下，不改变所述虚拟序列号。
12.根据权利要求10所述的通信方法，包括：在所述数据为响应数据的情况下，使所述虚拟序列号增加，其中，计算所述用于比较的数据错误检测码包括使用所述响应数据和增加后的虚拟序列号来计算所述用于比较的数据错误检测码。
13.根据权利要求9所述的通信方法，其中，判定所述包是否具有错误包括：
比较所述用于比较的数据错误检测码和所述接收的数据错误检测码；
如果所述用于比较的数据错误检测码等于所述接收的数据错误检测码，则判定在所述包内没有发生错误；以及
如果所述用于比较的数据错误检测码不同于所述接收的数据错误检测码，则判定所述包内已经发生错误。
14.根据权利要求8-11中任一项所述的通信方法，其中，在所述包被判定为具有错误的情况下，将操作状态更改为暂停通信的状态直至接收到用于重置的用户输入为止。
15.根据权利要求9所述的通信方法，其中
所述获取数据和接收的数据错误检测码包括从所述包获取报头数据、接收的报头错误检测码、所述数据和所述接收的数据错误检测码，所述通信方法包括：
使用所述报头数据和所述虚拟序列号来计算用于检测报头数据的错误的用于比较的报头错误检测码，其中
判定所述包是否具有错误包括基于所述接收的报头错误检测码、所述用于比较的报头错误检测码、所述接收的数据错误检测码和所述用于比较的数据错误检测码来判定所述包是否具有错误。
16.根据权利要求11所述的通信方法，其中
计算用于比较的报头错误检测码包括进一步使用唯一标识符来计算所述用于比较的报头错误检测码，其中
所述唯一标识符表示所述第一通信装置和所述第二通信装置之间的连接关系。
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