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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Datenpaketen von mindestens einer Datenquelle zu mindestens einer Datensenke. Dabei werden von der mindestens einen Datenquelle mindestens zwei Datenpakete gesendet. Von der mindestens einen Datensenke werden die mindestens zwei Datenpakete empfangen und verarbeitet. Dabei ist mindestens eines der mindestens zwei gesendeten Datenpakete frei von einem zur Überprüfung einer Integrität des zugeordneten Datenpakets dienenden Einzel-Prüfwert. Dabei werden die mindestens zwei Datenpakete derartig von der mindestens einen Datenquelle zu der mindestens einen Datensenke gesendet, dass jedes der mindestens zwei von der mindestens einen Datensenke empfangenen Datenpakete von der mindestens einen Datensenke im Wesentlichen unmittelbar nach dem Empfang des jeweiligen Datenpakets verarbeitbar ist. Weiterhin wird von der mindestens einen Datenquelle mindestens ein zur Überprüfung einer Integrität einer vorgebbaren Anzahl an zugeordneten Datenpaketen dienender Gesamt-Prüfwert an die mindestens eine Datensenke übertragen. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes System mit mindestens einer Datenquelle und mindestens einer Datensenke.
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Um eine sichere Übertragung von Daten über eine ggf. unsichere Datenverbindung zu gewährleisten, werden im Stand der Technik beispielsweise Prüfwerte oder sog. Prüfsummen zum Vergleich zwischen gesendeten und empfangenen Daten verwendet. Die Wahrscheinlichkeit, dass bei der Übertragung Fehler auftreten, ist im Allgemeinen zumindest abhängig von der Fehlerrate der Datenverbindung und von der Länge und Anzahl der übertragenen Daten pro Zeiteinheit. Dabei wirkt sich das für die Erzeugung des Prüfwerts verwendete Verfahren ebenfalls auf die Sicherheit aus. Je aufwändiger jedoch die Erzeugung des Prüfwerts ist, desto mehr Rechenleistung ist erforderlich. Handelt es sich bei der Datenquelle und der Datensenke insbesondere um ein Messgerät, das beispielsweise als Zwei-Leitermessgerät ausgestaltet ist, so ergibt sich eine Energielimitierung, so dass nicht beliebig komplexe Berechnungsverfahren aufgrund des damit einhergehenden Energiebedarfs angewendet werden können.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren, mit dem der Aufwand für das Erzeugen von Prüfwerten für zu versendende Datenpakete reduziert werden soll, ist in der Veröffentlichung
DE 11 2007 003 086 T5 beschrieben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Datenübertragung und ein ein solches Verfahren umsetzendes System aus Datenquelle und -senke vorzuschlagen, wobei eine möglichst hohe Sicherheit der Datenübertragung energieeffizient erreicht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamt-Prüfwert vor der Übersendung der vorgebbaren Anzahl an Datenpaketen von der mindestens einen Datenquelle an die mindestens eine Datensenke übertragen wird.
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Ein Datenpaket – eine andere Bezeichnung insbesondere bei serieller Übertragung ist Telegramm – ist ganz allgemein eine in sich abgeschlossene Dateneinheit, die von einer Datenquelle als Sender an eine Datensenke als Empfänger verschickt wird und die eine definierte Länge und Form hat.
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Für das Übertragungsverfahren ist mindestens eines der mindestens zwei gesendeten Datenpakete frei von einem zur Überprüfung einer Integrität des zugeordneten Datenpakets dienenden Einzel-Prüfwert. Einzel-Prüfwerte sind im einfachsten Fall Prüfsummen (sogenannten ”check sums”), die für die Datenintegrität – also die Übereinstimmung zwischen gesendeten und empfangenen Daten – bei der Datenübermittlung verwendet werden. Dafür wird ausgehend von dem zu sendenden Datenpaket ein Prüfwert bzw. eine Prüfsumme (die Bezeichnung ”Summe” wird im Stand der Technik auch für Prüfwerte verwendet, die sich aus komplexeren Verfahren als einer Quersummenbildung ergeben) ermittelt, und dieser Prüfwert wird für die Datenkontrolle mit dem Prüfwert verglichen, der nach dem gleichen Berechnungsverfahren für das empfangene Datenpaket ermittelt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein Datenpaket ohne einen solchen Einzel-Prüfwert, der sich auf dieses einzelne Datenpaket beziehen würde, versendet. Damit geht einher, dass die Datensenke für dieses einzelne Datenpaket nicht über einen Prüfwert die Integrität prüfen kann, aber durch die nächste Besonderheit des Übertragungsverfahrens ist gleichwohl dieses Datenpaket für die Datensenke bereits verwendbar.
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So werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin die mindestens zwei Datenpakete derartig von der mindestens einen Datenquelle zu der mindestens einen Datensenke gesendet, dass jedes der mindestens zwei von der mindestens einen Datensenke empfangenen Datenpakete von der mindestens einen Datensenke im Wesentlichen unmittelbar nach dem Empfang des jeweiligen Datenpakets verarbeitbar ist. Die einzelnen Datenpakete werden daher nicht zu einem großen Datenpaket verbunden, dessen Einzeldaten erst dann zugänglich sind, wenn das gesamte große Datenpaket empfangen worden ist, sondern bereits jedes einzelne Datenpaket ist nach seinem Empfang nutzbar, d. h. die darin befindlichen Daten sind für die Datensenke verwendbar. Mit anderen Worten: Die einzelnen betroffenen Datenpakete des Standes der Technik bleiben beim erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin einzelne Datenpakete, die jedoch ohne einen jeweils zugeordneten und sich nur auf das einzelne Datenpaket beziehenden Prüfwert gesendet werden.
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Um dennoch die Sicherheit der Datenübertragung zu gewährleisten, wird beim erfindungsgemäßen Übertragungsverfahren von der mindestens einen Datenquelle mindestens ein zur Überprüfung einer Integrität einer vorgebbaren Anzahl an zugeordneten Datenpaketen dienender Gesamt-Prüfwert an die mindestens eine Datensenke übertragen. Es wird also ein Gesamt-Prüfwert von der Datenquelle an die Datensenke übermittelt, der sich auf eine vorgebbare Anzahl an Datenpaketen bezieht. Da die Vielzahl der zu übertragenden einzelnen Prüfwerte der einzelnen Datenpakete mit dem erfindungsgemäßen Verfahren quasi zu einem gesamten Prüfwert reduziert wird, kann sowohl Rechenleistung als auch zu übertragende Datenmenge eingespart werden.
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Die Datensenke muss daher ausgehend von der Gesamtheit der relevanten empfangenen Datenpakete einen Gesamt-Prüfwert bilden und diesen mit dem Wert vergleichen, der von der Datenquelle gesendet worden ist. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren Rechenleistung auf Seiten der Datenquelle und der Datensenke und auch zu übertragende Datenmenge eingespart wird, kann beispielsweise ein aufwändigeres Verfahren zur Erzeugung des Gesamt-Prüfwerts verwendet werden als bei der Erzeugung der Einzel-Prüfwerte. Dadurch wird die Sicherheit der Übertragung der Daten erhöht, und dies ohne die Erfordernis von zusätzlicher Energie. Insgesamt kann sogar Energie eingespart werden gegenüber dem Stand der Technik.
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Das erfindungsgemäße Verfahren findet beispielsweise Anwendung zwischen einer Datenquelle und einer Datensenke innerhalb eines Geräts, z. B. eines Messgerätes der Prozessautomatisierung, das als Zwei-Leiter-Gerät ausgestaltet ist. Die Datenquelle und die Datensenke können dabei zu einem Gerät gehören und dennoch räumlich voneinander getrennt sein. Durch eine Begrenzung der zur Verfügung stehenden Energie ist vorzugsweise die Rechenleistung für die Ermittlung von Prüfwerten und die zu übertragende Datenmenge innerhalb des Geräts zu reduzieren. Daher bietet insbesondere bei einer solchen Umsetzung das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile, dass auch bei reduzierter Energie eine ausreichend hohe Datensicherheit energieeffizient realisiert werden kann.
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In einer Ausgestaltung werden Datenpakete von genau einer Datenquelle zu genau einer Datensenke übertragen. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung.
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In einer Ausgestaltung werden n Datenpakete von der Datenquelle zu der Datensenke gesendet. Die gesendeten n Datenpakete sind dabei frei von einem zur Überprüfung einer Integrität des zugeordneten Datenpakets dienenden Einzel-Prüfwert. Die n Datenpakete werden derartig von der Datenquelle zu der Datensenke gesendet, dass jedes der n von der Datensenke empfangenen Datenpakete von der Datensenke im Wesentlichen unmittelbar nach dem Empfang des jeweiligen Datenpakets verarbeitbar ist. Weiterhin wird von der Datenquelle ein zur Überprüfung einer Integrität der n Datenpakete dienender Gesamt-Prüfwert an die Datensenke übertragen. Dabei ist n eine ganze Zahl größer oder gleich Zwei.
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In einer Ausgestaltung werden die Datenpakete frei von Adressierungen übertragen. Adressierungen geben an, an welchen Empfänger, also an welche Datensenke die Datenpakete gerichtet sind. In dieser Ausgestaltung wird auf die Adressierung verzichtet, wodurch sich die übertragene Datenmenge weiter reduziert.
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In einer Ausgestaltung wird der Gesamt-Prüfwert nach dem zyklischen Redundanzverfahren als CRC-Polynom erzeugt. Die Bit-Länge eines CRC-Polynoms ist dabei gleich dem größten Exponenten, also dem Grad des Polynoms plus Eins. Im Stand der Technik werden die CRC-Polynome zumeist bezeichnet als CRC-8, CRC-16 usw.. Die Datenlänge eines CRC-16 beträgt daher 17 Bit. Mit zunehmendem Grad des Polynoms wird die Datensicherheit erhöht; gleichzeitig steigt aber auch die erforderliche Rechenleistung und die zu übertragende Datenmenge. Das oben beschriebene Übertragungsverfahren erlaubt es jedoch, für den Gesamt-Prüfwert einen deutlich größeren CRC-Wert zu erzeugen als dies für einzelne Datenpakete realistisch wäre, da die einzelnen Prüfwerte eingespart werden. In einer Ausgestaltung wird für den Gesamt-Prüfwert ein CRC-32- oder CRC-64-Polynom verwendet.
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Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist nach einer weiteren Lehre der Erfindung bei dem eingangs genannten System dadurch gelöst, dass die mindestens eine Datenquelle und die mindestens eine Datensenke für eine Übertragung von Datenpaketen nach einer der oben ausgeführten Ausgestaltungen des Datenübertragungsverfahrens ausgestaltet sind.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Datenquelle um einen Sensor und bei der Datensenke um einen Konverter. Die Anwendung liegt hier insbesondere im Bereich der Prozess- oder Fertigungsautomatisierung. Der Sensor dient beispielsweise der Messung und/oder Überwachung von solchen Prozessgrößen wie Füllstand, Durchfluss, pH-Wert, Sauerstoffgehalt oder Temperatur. Bei den Daten, die von dem Sensor übermittelt werden, handelt es sich dabei beispielsweise um Messdaten. Der Konverter wiederum dient beispielsweise der Umsetzung der Messdaten in andere Formate für die Übertragung an eine Leitwarte oder beispielsweise in 4 ... 20 mA-Signale zur Signalausgabe oder zur Umwandlung unter Verwendung von Kalibrationsdaten (z. B. Umwandlung von Abstandsdaten zwischen Sensor und Füllstand in die Füllstandshöhe eines Mediums relativ zum Boden des Behälters, in dem sich das Medium befindet).
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem System um ein Zwei-Leiter-Messgerät. Die Energieversorgung des Messgeräts erfolgt daher über die Schnittstelle, über die auch die Signalausgabe vorgenommen wird. Innerhalb des Messgeräts wird dabei das obige Verfahren zur Datenübertragung verwendet.
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Die oben geschilderten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können dabei auch in dem hier genannten erfindungsgemäßen System angewendet werden, d. h. die zum Verfahren gemachten Anmerkungen gelten hier entsprechend. Umgekehrt lassen sich auch die Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems beim Verfahren anwenden bzw. gelten auch die Anmerkungen entsprechend für die Realisierung im erfindungsgemäßen Verfahren.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 und dem Patentanspruch 6 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische, im Wesentlichen die funktionalen Wirkzusammenhänge anhand eines Blockschaltbilds verdeutlichende Darstellung einer Datenübertragung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine schematische, im Wesentlichen die funktionalen Wirkzusammenhänge anhand eines Blockschaltbilds verdeutlichende Darstellung einer erfindungsgemäßen Datenübertragung und
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3 eine schematische Darstellung eines Messgeräts als System zur Datenübertragung mit Anbindung an eine Leitwarte.
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Die 1 zeigt eine Art der Datenübertragung, wie sie im Stand der Technik stattfindet. Von der Datenquelle 1 sollen dabei n Datensätze an die Datensenke 2 über eine Datenverbindung 3 (dabei kann es sich auch um eine kabellose Übertragungsstrecke handeln) versendet werden. Diese n Daten (DATA1, DATA2 bis DATAn) werden jeweils in einem einzelnen Datenpaket 4 von der Datenquelle 1 an die Datensenke 2 verschickt. Bei der Datenquelle 1 handelt es sich dabei beispielsweise um einen Sensor, der für einen Prozess Messdaten erzeugt und diese an einen Konverter als Datensenke 2 überträgt. Problematisch ist es, wenn die Datenverbindung 3 nicht sicher ist oder nicht sicher genug für spezielle Anwendungen mit höheren Anforderungen. Daher werden die Pakete jeweils mit einem Prüfwert CRC versendet. Im Stand der Technik handelt es sich dabei um Einzel-Prüfwerte 5, die sich jeweils nur auf das Datenpaket 4 beziehen, dem sie angehören. Auch bekannt im Stand der Technik – jedoch nicht gezeigt – ist es, dass alle Daten in einem großen Gesamt-Datenpaket verschickt werden. Dabei sind die einzelnen Daten jedoch erst dann von der Datensenke 2 verwendbar, wenn das ganze Gesamt-Datenpaket vollständig empfangen worden ist.
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Soll die Sicherheit der Übertragung erhöht werden, wobei die Datenverbindung 3 selbst unverändert bleibt, so kann beispielsweise das für die Erzeugung des Prüfwerts verwendete Verfahren verbessert, z. B. der Grad des CRC-Polynoms erhöht werden. Dies führt jedoch dazu, dass die Rechenleistung zunimmt und dass auch mehr Daten übertragen werden müssen. Ist die Anordnung aus Datenquelle 1 und Datensenke 2 insbesondere in der Energieversorgung begrenzt, so kann der Grad des Polynoms nicht beliebig erhöht werden. Daher ist eine solche in der 1 dargestellte Datenübertragung in ihrer Datensicherheit limitiert.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Datenübertragung dargestellt, die eine höhere Datensicherheit auch bei begrenzter Energiemenge erlaubt. Um dies zu erreichen, versendet die Datenquelle 1 die Datenpakete 4 jeweils ohne einen Einzel-Prüfwert. Dadurch werden die Datenpakete 4 kleiner, und es müssen nicht die n Einzel-Prüfwerte berechnet werden.
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Diese so eingesparte Energie wird dafür verwendet, dass ein Gesamt-Prüfwert 6 – hier für alle n einzelnen Datenpakete 4 – erzeugt und über die Datenverbindung 3 an die Datensenke 2 gesendet wird. Je mehr Datenpakete 4 durch einen Gesamt-Prüfwert 6 gesichert sind, desto größer ist die Einsparung an Rechenleistung und zu übertragender und damit ebenfalls Energie benötigender Datenmenge. Daher lässt sich durch die zur Verfügung stehende Energiemenge der Grad des CRC-Polynoms erhöhen.
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Der Gesamt-Prüfwert 6 wird hier zum Schluss nach den n Datenpaketen 4 versendet, kann diesen jedoch auch vorausgehen oder zwischen zwei Datenpaketen 4 eingestreut werden. Die Datenpakete 4 gelangen dabei derartig zur Datensenke 2, dass sie nach ihrem Empfang von der Datensenke 2 bereits verwendbar sind, so dass nicht auf ein großes Gesamt-Datenpaket gewartet werden muss oder es zu Verzögerungen kommt. Die Datenpakete 4 sind also an sich vollständig.
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In der 3 ist ein Sensor 7 die Datenquelle 1 und ein Konverter 8 die Datensenke 2. Beide sind über ein Kabel als Datenverbindung 3 miteinander verbunden und bilden ein System 9. Vom (Remote-)Sensor 7 wird hier der Füllstand eines Mediums in einem Behälter 10 überwacht. Die Messwerte gelangen über das zuvor beschriebene Verfahren zum Konverter 8, der sie ausgehend von hinterlegten Kalibrationsdaten in ein passendes Ausgabeformat übersetzt und durch ein 4 ... 20 mA-Signal an eine Leitwarte 11 überträgt. Alternativ sind auch andere Protokolle über andere Bussysteme möglich. Das Messgerät als System 9 aus Datenquelle 1 bzw. Sensor 7 und Datensenke 2 bzw. Konverter 8 ist dabei insbesondere ein Zwei-Leiter-Messgerät mit einer damit einhergehenden prinzipiellen Energiebeschränkung.
