CN105262563B - 一种提高通讯可靠性的冗余校验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高通讯可靠性的冗余校验方法及系统，包括：数据发送单元对所需发送的源数据加了数据保护层之后，第一次发送数据至数据接收单元；对第一次发送的数据进行加密处理后由数据发送单元第二次发送至数据接收单元；数据接收单元确定接收到的数据为目标数据，分别校验第一次接收的数据和第二次接收的数据的保护层；比较第一次接收的数据和第二次接收的数据的一致性；若校验结果为第一次接收的数据与第二次接收的数据各自的保护层校验均正确，并且第一次接收的数据和第二次接收的数据比较结果为一致，则确定所述目标数据完整；否则，则确定所述目标数据不完整。本发明大大提高了检测出数据不完整的概率，大大提高了通讯的可靠性。

Description

一种提高通讯可靠性的冗余校验方法及系统

技术领域

本发明涉及工业控制领域，特别涉及一种提高通讯可靠性的冗余校验方法及系统。

背景技术

工业生产给人类带来发展与进步的同时，也造成了事故所导致的经济损失及人身伤害。IEC 61508 标准的出台为工业的安全生产指明了方向。IEC61508 提出了功能安全的概念，当功能出现问题引发危险时，可避免危险或者将危险出现的概率降到一个可接受的范围内，以保证系统能安全可靠地进行。IEC 61508 虽然以电气、电子、可编程电子的安全相关系统命名，但它的思想适用于所有用于保证安全的系统。对于现场总线来说，电磁干扰、宇宙射线等各种因素引起的通讯故障，可能会对现场总线系统造成很大影响。功能安全的提出对于现场总线同样意义重大，使其在功能出现问题引发危险时能降低风险，保证现场总线在运行中的可靠性、有效性。

安全相关领域的控制系统，如铁路控制、工业过程控制、核电控制和机械行业控制等系统中，必须要考虑通信系统的功能安全。为保证通信系统的安全性，一般给源数据添加保护层,在其中使用各种防御技术，从而满足系统安全完整性等级(SIL)需求。所述保护层可以为报文序列号、时间戳、时间窗、数据发送单元与数据接收单元身份码、CRC校验等，视具体应用进行选择，以防止或减少报文重复、报文丢失、报文意外插入、报文错序、报文延迟超时、过程数据损坏、报文伪装等通信错误的发生。

对于安全要求比较高的控制系统，要求系统安全完整性等级要达到SIL3甚至更高的SIL4等级。而对于数据量比较大的通讯，只单纯采取增加保护层的方法，很可能达不到安全完整性等级SIL3或SIL4的要求。

发明内容

为了显著提高通讯的可靠性和安全性，本发明的目的是提供一种提高通讯可靠性的冗余校验方法及系统，本发明大大提高了检测出数据不完整的概率，大大提高了通讯的可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种提高通讯可靠性的冗余校验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）数据发送单元对源数据加入数据保护层，第一次发送至数据接收单元，其中，所述源数据为需要发送的原始数据，未经过任何处理；

2）数据发送单元在第一次发送完数据后，对所述第一次发送的数据进行加密处理，并且对加密后的数据第二次发送至数据接收单元；

3）数据接收单元确认接收到的数据为目标数据，解析第一次接收的数据和第二次接收的数据，对两次接收的数据的保护层各自进行校验，并比较两次接收的数据的一致性；

若校验结果为所述第一次接收的数据与所述第二次接收的数据各自的保护层校验均正确，并且所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据比较结果为一致，则确定所述目标数据完整；否则，则确定所述目标数据不完整。

特别的，在数据接收单元进行所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据的校验与比较之后，还可增加：

所述数据接收单元将校验结果加上数据保护层，将此第一次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

对所述第一次反馈数据进行加密处理后，将第二次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据和第二次反馈数据的保护层各自进行校验，并比较两次反馈数据的一致性。

若校验结果为所述第一次反馈数据与所述第二次反馈数据各自的保护层校验均正确，并且所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据比较结果为一致，则确定本次通讯成功；

否则，本次通讯失败。

特别的，所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据和第二次反馈数据的保护层各自进行校验，并比较两次反馈数据的一致性，该过程还包括：

所述数据发送单元在规定时间内未收到反馈数据，或对所述第一次反馈数据和第二次反馈数据的校验发现有误，所述数据发送单元采用重发一次的机制，即以上步骤重复一次。

特别的，所述源数据包括所述数据发送单元中的全部数据块或部分数据块。

一种提高通讯可靠性的冗余校验方法采用的系统，包括：

第一数据处理模块，用于给源数据加保护层，作为第一次发送的数据发送至数据接收单元，所述源数据为需要发送的原始数据，未经过任何处理；

第一数据发送模块，用于将所述第一次发送的数据发送至数据接收单元；

第一数据加密模块，用于对所述第一次发送的数据进行加密处理，生成所述第二次发送的数据；

第二数据发送模块，用于将所述第二次发送的数据发送至数据接收单元；

第一确定模块，用于确定所述第一次接收的数据为目标数据；

第一数据校验模块，用于校验所述第一次接收的数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第二确定模块，用于确定所述第二次接收的数据为目标数据；

第二数据校验模块，用于校验所述第二次接收的数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第一比较模块，用于比较所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据，若比较结果为所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据一致，则执行第三确定模块，否则，执行第四确定模块；

所述第三确定模块，用于确定所述目标数据完整；

所述第四确定模块，用于确定所述目标数据不完整。

特别的，在数据接收单元进行所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据的校验与比较之后，即执行第三确定模块或第四确定模块之后，还可增加：

第一反馈模块，用于所述数据接收单元将校验结果加上保护层后，作为第一次反馈数据，反馈给所述数据发送单元；

第二数据加密模块，用于所述数据接收单元将所述第一次反馈数据进行加密处理，生成第二次反馈数据；

第二反馈模块，用于所述数据接收单元将所述第二次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

第三数据校验模块，用于校验所述第一次反馈数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第四数据校验模块，用于校验所述第二次反馈数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第二比较模块，用于比较所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据，若比较结果为所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据一致，则执行第五确定模块，否则，执行第六确定模块；

所述第五确定模块，用于确定所述数据发送单元接收到的反馈数据完整；

第六确定模块，用于在确定所述数据发送单元接收到的反馈数据不完整。

特别的，所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据和第二次反馈数据的保护层各自进行校验，并比较两次反馈数据的一致性之后，若执行了第六确定模块，则系统还可以增加一次重发机制，而重发模块即为上述模块再执行一次。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中，所述第二次发送的数据在发送前做了加密处理，与所述第一次发送的数据不一样，能够更大概率地检测出通讯故障。

本发明中，数据接收单元除了分别校验第一次接收的数据和第二次接收的数据的保护层，还比较两次接收的数据的一致性，实现了冗余校验的效果，能够大大减小通讯故障残留的概率。

使用本发明提出的冗余校验方法，改善了通用性，大大提高了检测出数据不完整的概率，大大提高了通讯的可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的一种提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图；

图2是举例一种取反法对数据加密的流程图；

图3是举例一种异或法对数据加密的流程图；

图4是本发明提供的一种采用反馈机制的提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图；

图5是本发明提供的一种采用重发机制的提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图；

图6是本发明提供的一种对源数据分块的提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图；

图7是本发明提供的一种提高通讯可靠性的冗余校验系统的结构示意图；

图8是本发明提供的数据发送单元的一种结构示意图；

图9是本发明提供的数据接收单元的一种结构示意图；

图10是本发明提供的数据发送单元的另一种结构示意图；

图11是本发明提供的数据接收单元的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参见图1，其示出了本发明提供的提高通讯可靠性的冗余校验方法的一种流程图，可以包括以下步骤：

步骤S11：数据发送单元对源数据加入数据保护层，第一次发送至数据接收单元；

在本实施例中，所述源数据为需要发送的原始数据，未经过任何处理，可以是原始数据，也可以是未加保护层的原始通讯协议；

在本实施例中，所述保护层可以为报文序列号、时间戳、时间窗、数据发送单元与数据接收单元身份码、CRC校验等，视具体应用进行选择，以防止或减少报文重复、报文丢失、报文意外插入、报文错序、报文延迟超时、过程数据损坏、报文伪装等通信错误的发生；

步骤S12：数据发送单元在第一次发送完数据后，对所述第一次发送的数据进行加密处理，并且对加密后的数据第二次发送至数据接收单元；

在本实施例中，对所述第一次发送的数据进行加密处理可以有很多种加密方法，视实际应用而定，如图2列举了取反法加密方式，如图3列举了异或法加密方式；

步骤S13：所述数据接收单元确定第一次接收的数据为目标数据，并进行校验；

若数据校验有误，进入到步骤S14：确定目标数据不完整；

若数据校验正确，进入到步骤S15：所述数据接收单元确定第二次接收的数据为目标数据，并进行校验；

若数据校验有误，进入到步骤S14：确定目标数据不完整；

若数据校验正确，进入到步骤S16：所述数据接收单元比较两次接收的数据的一致性；

若比较结果为所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据一致，则进入到步骤S17：确定所述目标数据完整；

否则，则进入到步骤S14：确定目标数据不完整。

实施例2

在本实施例中，在图1示出的冗余校验方法的基础上扩展出另外一种更全面的提高通讯可靠性的冗余校验方法，请参见图4，图4示出了本发明提供的一种采用反馈机制的提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图；可以包括以下步骤：

步骤S401~S407与图1示出的步骤S11~S17相同；

步骤S408：所述数据接收单元将校验结果加上数据保护层，将此第一次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

步骤S409： 数据接收单元对所述第一次反馈数据进行加密处理后，将第二次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

步骤S410：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据的正确性进行校验；

若数据校验有误，进入到步骤S411：确定本轮通讯失败；

若数据校验正确，进入到步骤S412：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第二次反馈数据的正确性进行校验；

若数据校验有误，进入到步骤S411：确定本轮通讯失败；

若数据校验正确，进入到步骤S413：所述数据发送单元比较两次接收的反馈数据的一致性。

若比较结果为所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据一致，则进入到步骤S414：确定本轮通讯成功；

否则，则进入到步骤S411：确定本轮通讯失败；

本实例增加了反馈的过程，更大程度地提高了通讯的可靠性。

实施例3

在本实施例中，在图4示出的一种采用反馈机制的提高通讯可靠性的冗余校验方法的基础上扩展出另外一种带有重发机制的冗余校验方法，请参见图5，图5示出了本发明提供的一种采用重发机制的提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图，可以包括以下步骤：

步骤S501~S510与图4示出的步骤S401~S410相同；

在执行完步骤S510：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据的正确性进行校验，若校验数据有误，进入到步骤S511：判断是否已经执行过一次重发；

若已经执行过一次重发，则进入到步骤S512：确定本轮通讯失败；

若尚未执行过重发，则返回到步骤S501，开始一次重发机制；

在执行完步骤S510：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据的正确性进行校验，若校验数据正确，进入到步骤S513：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第二次反馈数据的正确性进行校验；

若数据校验有误，进入到步骤S511：判断是否已经执行过一次重发；

若已经执行过一次重发，则进入到步骤S512：确定本轮通讯失败；

若尚未执行过重发，则返回到步骤S501，开始一次重发机制；

在执行完步骤S513：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第二次反馈数据的正确性进行校验，若数据校验正确，进入到步骤S514：所述数据发送单元比较两次接收的反馈数据的一致性。

若比较结果为所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据一致，则进入到步骤S515：确定本轮通讯成功；

若比较结果为所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据不一致，则进入到步骤S511：判断是否已经执行过一次重发；

若已经执行过一次重发，则进入到步骤S512：确定本轮通讯失败；

若尚未执行过重发，则返回到步骤S501，开始一次重发机制；

本实例增加一次重发机制，可提高通讯的可用性。

实施例4

在本实施例中，在图4示出的一种采用反馈机制的提高通讯可靠性的冗余校验方法的基础上扩展出另外一种对源数据进行分块的冗余校验方法，请参见图6，图5示出了本发明提供的一种对源数据分块的提高通讯可靠性的冗余校验方法的流程图，可以包括以下步骤：

步骤S600：将源数据分成几个块；

步骤S601~S613与图4示出的步骤S401~S413相同；

步骤S614：判断源数据是否已经全部发送完；

若源数据还没有发送完，则返回步骤S601；

若源数据已经全部发送完，则进入步骤S615：确定本轮通讯成功；

本实例将源数据分成几个块，对每个数据块进行冗余校验，只有所有的数据块均校验正确，才确定源数据完整，更大程度地提高了通讯的安全性与可靠性。

实施例5

在本发明中，提供了一种提高通讯可靠性的冗余校验系统，请参见图7，图7示出了本发明提供的一种提高通讯可靠性的冗余校验系统的结构示意图，

这种提高通讯可靠性的冗余校验系统包括：数据发送单元71和数据接收单元72。

数据发送单元71，用于对源数据加入数据保护层，第一次发送至数据接收单元，发完对所述第一次发送的数据进行加密处理，并且对加密后的数据第二次发送至数据接收单元，其中，所述源数据为需要发送的原始数据，未经过任何处理。

数据接收单元72，确定接收到的数据为目标数据，解析第一次接收的数据和第二次接收的数据，对两次接收的数据的保护层各自进行校验，并比较两次接收的数据的一致性， 若校验结果为所述第一次接收的数据与所述第二次接收的数据各自的保护层校验均正确，并且所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据比较结果为一致，则确定所述目标数据完整，否则，则确定所述目标数据不完整。

数据发送单元71的具体结构请参见图8，图8示出了本发明提供的数据发送单元的一种结构示意图，数据发送单元71包括：

第一数据处理模块81、第一数据发送模块82、第一数据加密模块83和第二数据发送模块84。

第一数据处理模块81，用于对源数据加入数据保护层，生成第一次发送的数据；

第一数据发送模块82，用于将所述第一次发送的数据发送至数据接收单元。

第一数据加密模块83，用于将所述第一次发送的数据进行加密处理。

第二数据发送模块84，用于将所述第二次发送的数据发送至数据接收单元。

数据接收单元72的具体结构请参见图9，图9示出了本发明提供的数据接收单元的一种结构示意图；数据接收单元72包括：

第一确定模块91、第一数据校验模块92、第二确定模块93、第二数据校验模块94、第一比较模块95、第三确定模块96和第四确定模块97。

第一确定模块91，用于确定所述第一次接收的数据为目标数据。

第一数据校验模块92，用于校验所述第一次接收的数据的正确性。

第二确定模块93，用于确定所述第二次接收的数据为目标数据。

第二数据校验模块94，用于校验所述第二次接收的数据的正确性。

第一比较模块95，用于比较所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据是否一致，一致，则执行第三确定模块96，否则，执行第四确定模块97。

所述第三确定模块96，用于确定所述目标数据完整。

所述第四确定模块97，用于确定所述目标数据不完整。

在本实施例中，在图8示出的数据发送单元的基础上扩展出另外一种数据发送单元，请参见图10，图10示出了本发明提供的数据发送单元的另一种结构示意图，在图8的基础上还包括：

第三数据校验模块101、第四数据校验模块102、第二比较模块103、第五确定模块104和第六确定模块105。

第三数据校验模块101，用于校验所述第一次反馈数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确。

第四数据校验模块102，用于校验所述第二次反馈数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确。

第二比较模块103，用于比较所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据，若比较结果为所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据一致，则执行第五确定模块，否则，执行第六确定模块。

所述第五确定模块104，用于确定所述数据发送单元接收到的反馈数据完整。

所述第六确定模块105，用于确定所述数据发送单元接收到的反馈数据不完整。

在本实施例中，在图9示出的数据接收单元的基础上扩展出另外一种数据接收单元，请参见图11，图11示出了本发明提供的数据接收单元的另一种结构示意图，在图9的基础上还包括：

第一反馈模块111、第二数据加密模块112和第二反馈模块113。

第一反馈模块111，用于所述数据接收单元将校验结果加上保护层后，作为第一次反馈数据，反馈给所述数据发送单元。

第二数据加密模块112，用于所述数据接收单元将所述第一次反馈数据进行加密处理，生成第二次反馈数据。

第二反馈模块113，用于所述数据接收单元将所述第二次反馈数据反馈给所述数据发送单元。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分可互相参见。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (5)

1.一种提高通讯可靠性的冗余校验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）数据发送单元对源数据加入数据保护层，第一次发送至数据接收单元，其中，所述源数据为需要发送的原始数据，未经过任何处理；

2）数据发送单元在第一次发送完数据后，对所述第一次发送的数据进行加密处理，并且对加密后的数据第二次发送至数据接收单元；

3）数据接收单元确认接收到的数据为目标数据，解析第一次接收的数据和第二次接收的数据，对两次接收的数据的保护层各自进行校验，并比较两次接收的数据的一致性；

若校验结果为所述第一次接收的数据与所述第二次接收的数据各自的保护层校验均正确，并且所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据比较结果为一致，则确定所述目标数据完整；否则，则确定所述目标数据不完整；

所述数据接收单元将校验结果加上数据保护层，将此第一次反馈数据反馈给所述数据发送单元，然后对所述第一次反馈数据进行加密处理后，将第二次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据和第二次反馈数据的保护层各自进行校验，并比较两次反馈数据的一致性；

若校验结果为所述第一次反馈数据与所述第二次反馈数据各自的保护层校验均正确，并且所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据比较结果为一致，则确定本次通讯成功；否则，本次通讯失败。

2.根据权利要求1所述的提高通讯可靠性的冗余校验方法，其特征在于：所述数据发送单元对数据接收单元反馈的第一次反馈数据和第二次反馈数据的保护层各自进行校验，并比较两次反馈数据的一致性，该过程还包括：

所述数据发送单元在规定时间内未收到反馈数据，或对所述第一次反馈数据和第二次反馈数据的校验发现有误，所述数据发送单元采用重发一次的机制。

3.根据权利要求1所述的提高通讯可靠性的冗余校验方法，其特征在于：所述源数据包括所述数据发送单元中的全部数据块或部分数据块。

4.一种权利要求1所述提高通讯可靠性的冗余校验方法采用的系统，其特征在于：该系统包括：

第一数据处理模块，用于给源数据加保护层，作为第一次发送的数据发送至数据接收单元，所述源数据为需要发送的原始数据，未经过任何处理；

第一数据发送模块，用于将所述第一次发送的数据发送至数据接收单元；

第一数据加密模块，用于对所述第一次发送的数据进行加密处理，生成所述第二次发送的数据；

第二数据发送模块，用于将所述第二次发送的数据发送至数据接收单元；

第一确定模块，用于确定所述第一次接收的数据为目标数据；

第一数据校验模块，用于校验所述第一次接收的数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第二确定模块，用于确定所述第二次接收的数据为目标数据；

第二数据校验模块，用于校验所述第二次接收的数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第一比较模块，用于比较所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据，若比较结果为所述第一次接收的数据和所述第二次接收的数据一致，则执行第三确定模块，否则，执行第四确定模块；

所述第三确定模块，用于确定所述目标数据完整；

所述第四确定模块，用于确定所述目标数据不完整。

5.根据权利要求4所述的提高通讯可靠性的冗余校验方法采用的系统，其特征在于：在数据接收单元进行第一次接收的数据和第二次接收的数据的校验与比较之后，即执行第三确定模块或第四确定模块之后，还包括：

第一反馈模块，用于所述数据接收单元将校验结果加上保护层后，作为第一次反馈数据，反馈给所述数据发送单元；

第二数据加密模块，用于所述数据接收单元将所述第一次反馈数据进行加密处理，生成第二次反馈数据；

第二反馈模块，用于所述数据接收单元将所述第二次反馈数据反馈给所述数据发送单元；

第三数据校验模块，用于校验所述第一次反馈数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第四数据校验模块，用于校验所述第二次反馈数据的保护层，从而校验本次接收数据是否正确；

第二比较模块，用于比较所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据，若比较结果为所述第一次反馈数据和所述第二次反馈数据一致，则执行第五确定模块，否则，执行第六确定模块；

所述第五确定模块，用于确定所述数据发送单元接收到的反馈数据完整；

第六确定模块，用于确定所述数据发送单元接收到的反馈数据不完整。