DE3934045C2

DE3934045C2 - Verfahren zur Datenübertragung

Info

Publication number: DE3934045C2
Application number: DE3934045A
Authority: DE
Inventors: Walter Ing Grad Wolfgarten
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1989-10-12
Filing date: 1989-10-12
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2009-10-13
Also published as: DE3934045A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gesi cherten Datenübertragung mit einer Hamming-Distanz von d = 4 unter Verwendung von HDLC-formatierten Telegram men, welche einen HDLC-Kopfteil, einen HDLC Informationsteil und eine HDLC-Schlußteil umfassen.

Das HDLC (high level data link control)-Format ist nach ISO 3309 und DIN 66221 standardisiert. Ein gemäß HDLC aufgebautes Telegramm zur Übertragung einer Nachricht ist in Fig. 1 dargestellt. Es enthält einen Kopfteil, der aus einem 1 Byte-langen Flag zur Telegrammbegren zung, einem Adressenbyte und einem Steuerbyte besteht. Daran schließt sich ein Informationsteil an, welcher aus bis zu 4091 Bytes bestehen dann. Der Schlußteil besteht aus einem 2 Byte-langen Prüfzeichen und einem Flag. Ein Byte umfalt 8 Bits. Wenn im Informationsteil Bytes einer davon abweichenden Länge verwendet werden, müssen gege benenfalls so viele Bits angefügt werden, daß die Gesamt länge m×8 Bit beträgt (m = ganze Zahl). Ein Flag be steht aus der Bitfolge 01111110. Um zu verhindern, daß ein Byte im Informationsteil die Bitfolge des Flags auf weist, wird in einem zu sendenden Nachrichtentext immer nach fünf aufeinander folgenden Ein-Bits ein Null-Bit eingeschoben. Auf der Empfangsseite wird dieses einge schobene 0-Bit wieder entfernt. Das Prüfzeichen ist so konzipiert, daß Einfach-. Zweifach- und Dreifachfehler innerhalb des geprüften Rahmens erkannt werden. Somit ist grundsätzlich eine Hamming-Distanz d = 4 erzielbar.

Untersuchungen haben aber gezeigt, daß Fehler auftreten können, die zu einer auf d = 1 reduzierten tatsächlichen Hamming-Distanz führen. Über solche Untersuchungen wird berichtet in G. Funk. "Message Error Detecting Proper ties of HDLC Protocols". IEEE Transactions on Communica tions. Vol. Com-30. No. 1. January 1982. Pages 252 bis 257. Dort ist ausgeführt, daß beispielsweise durch einen Einfachfehler im Informationsteil ein Flagzeichen simu liert werden kann. Ein solches vorgetäuschtes Flag würde einen Nachrichtenblock teilen.

Eine weitere nicht mit Sicherheit detektierbare Fehler möglichkeit besteht darin, daß durch gleichzeitiges Auf treten eines sogenannten Bitgewinns und eines sogenann ten Bitverlustes innerhalb eines HDLC-Telegramms ein Vierfachfehler auftritt. Eine solche Situation ist in Fig. 2 dargestellt. Dort ist in der ersten Zeile eine Bitfolge einer zu übertragenden Nachricht angegeben. Wie weiter oben dargelegt ist, wird durch die HDLC-Konventi on nach fünf aufeinander folgenden Ein-Bits ein Null-Bit eingefügt. Deshalb wird eine Bitfolge gesendet, wie in der zweiten Zeile angegeben. In der dritten Zeile sind mit P₁ und P₂ Positionen in der Bitfolge markiert, an denen durch Einflüsse auf der Übertragungsstrecke eine Bitverfälschung eintritt. Durch den Fehler P₁ entsteht eine Folge von nur vier Ein-Bits, wie in der vierten Zeile angegeben. Auf der Empfangsseite erfolgt deshalb keine Beseitigung des sendeseitig eingefügten Null-Bits. Es entsteht somit ein Bitgewinn. Der Fehler P₂ bewirkt dagegen gerade das Gegenteil, nämlich daß jetzt eine Folge von fünf Ein-Bits empfangen wird, was zur Beseiti gung des folgenden Null-Bits führt. Die verfälscht ange gebene Nachricht ist in der fünften Zeile angegeben. In der sechsten Zeile sind die vier Fehlerstellen mit einem F markiert, welche sich durch einen Vergleich der ersten mit der fünften Zeile ergeben.

Bekannte Vorschläge für einen Schutz gegen Bitgewinn bzw. Bitverlust oder gegen simulierte Flags sind nicht in allen Anwendungen nutzbar und sind auch nicht kompa tibel zu den HDLC-Festlegungen. Diese Vorschläge zielen darauf ab, eine Eins-Gruppe mit mehr als vier Bits im Informationsteil zu verhindern. Solche Maßnahmen sind dem Standardisierungsvorschlag ISO 3309 : 1984/PDAD1 vom 23. März 1988. Ref.-Nr. ISO/IEC JTC 1/6 N 4986. "Tele communications and information exchange between sytems" zu entnehmen. Dort wird z. B. zur Verhinderung einer Flag-Simulation im synchronen Betrieb im Abschnitt 3.5.1 vorgeschlagen, im Informationsteil immer nach fünf auf einanderfolgenden "1" eine "0" einzufügen, die auf der Empfangsseite eliminiert wird. Für den asynchronen Be trieb wird im Abschnitt 3.5.2 vorgeschlagen, im Falle des Auftretens von fünfmal "1" das sechste Bit im Byte zu invertieren und ein zusätzliches "control escape oc tet" zu übertragen, woraufhin auf der Empfangsseite das invertierte Bit wieder berichtigt wird.

Aus F. J. Furer, "Fehlerkorrigierende Block-Codierung für die Datenübertragung" 1981, Birkhäuser Verlag Basel, Seite 40. 41 und 238 bis 250 ist es bekannt, zur richti gen Aufteilung einer Bitfolge in Wörter - auch bei Schlupffehlern - ein Synchronisationsmuster einzufügen, das z. B. eine 10-Folge sein kann.

Aus DIN 19 244, Teil 10, Entwurf März 1988, "Fernwirkeinrichtungen und Fernwirksysteme ist ein Verfahren zur gesicherten Datenübertragung mit einer Hamming- Distanz von d=4 unter Verwendung eines Telegramms mit speziell aufgebautem Kopf-, Informations- und Schlußteil bekannt. Der Informationsteil enthält jedes Datum im paritätsgesicherten UART-Format und deren Anzahl ist im Kopfteil angegeben. Bezüglich der Anwendung von HDLC-Telegrammen ist unter Abschnitt 6.2.7 lediglich entnehmbar, daß Anpassungen notwendig sind, um die Hamming-Distanz zu verbessern. Lösungsvorschläge werden jedoch nicht gemacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Datenübertragung anzugeben, welches unter Benutzung des ADLC-Verfahrens kompatibel zu den vorhandenen Standards ist und Fehler durch Bitgewinn oder Bitverlust sowie Fehler durch Simulation des Flagzeichens aufdeckt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur gesicher ten Datenübertragung mit einer Hamming-Distanz von d=4 unter Verwendung von HDLC-formatierten Telegrammen, welche einen HDLC-Kopfteil, einen HDLC-Informationsteil und einen HDLC-Schlußteil umfassen und wobei

a) als HDLC-Informationsteil ein Telegramm gemäß DIN 19 244-Konventionen verwendet wird, das einen DIN 19 244-Kopfteil mit einer Angabe der Anzahl der folgenden Datenblöcke, Datenblöcke im UART-Format und einen DIN 19 244-Schlußteil enthält,
b) empfangsseitig die Datenblockzahl benutzt wird zur Prüfung, ob eine Blockbegrenzung (= Flagzeichen) simuliert wurde, und
c) die jeweils von den Stopbits und Startbits der auf einanderfolgenden UART-formatierten Datenblöcke ge bildeten 10-Bitfolgen empfangsseitig zur Prüfung hinsichtlich der Fehlerarten Bitgewinn und Bitver lust benutzt werden.

Die Anordnung von 10-Bitfolgen und deren empfangsseitige Prüfung gewährleisten, daß ein Bitgewinn oder -verlust an mindestens einer Stelle des Telegramms zu einer erkennbaren Verfälschung führt. Den gleichen Zweck würden auch 01-Bit folgen erfüllen. Es können vorteilhaft auch Bitfolgen von mehr als vier 1-Bits im Informationsteil zugelassen werden. Es ist zweckmäßig die 01- oder 10-Bitfolgen in gleichmäßi gen Abständen anzuordnen, jedenfalls in ausreichend kurzen Abständen, um in gewünschter Weise alle Fehlersituationen erfassen zu können. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn man die zu übertragende Nachricht im Informationsteil in Blöcke nach dem bekannten UART-Format unterteilt, wie mit der Er findung vorgeschlagen wird. Der Effizienzverlust ist ge ring. Die Realisierung kann mit marktgängigen Chips erfol gen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch das sichere Erkennen von simulierten Flags, da eine Nachricht zunächst in ein Telegramm gemäß DIN 19 244 verpackt und dieses Tele gramm wiederum als Informationsteil in ein HDLC-Telegramm eingebettet wird.

Eine ausführlichere Beschreibung des Verfahrens erfolgt an hand der Zeichnung und des darin dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Die Zeichnung enthält die bereits erläuterten Fig. 1 (HDLC-Format) und 2 (Bitgewinn und Bitverlust) sowie nach stehend erläuterte Fig. 3a bis 3c, die sich auf die Er kennung der Fehlerarten Bitgewinn und Bitverlust beim er findungsgemäßen Verfahren beziehen und eine Fig. 4, welche eine Einbettung von DIN 19 244-Telegrammen in das HDLC-For mat zeigt.

Fig. 3a zeigt einen Informationsblock im UART-Format, wel ches ein Bestandteil der Norm DIN 19 244 ist. Das UART-For mat beginnt mit einem 0-Bit als Startbit, gefolgt von einem 9-Bit-Info-Teil, dessen Quersumme gerade sein muß, und wird abgeschlossen durch ein 1-Bit als Stopbit. Diese Bedingun gen werden geprüft. Bei Hintereinanderschaltung mehrerer UART-Blöcke ergeben sich durch aufeinanderfolgende Stop- und Startbits 10-Folgen, die im Sinne der Erfindung zur Prüfung des Auftretens von Bitgewinn oder -verlust genutzt werden können.

Fig. 3b zeigt einen durch Bitgewinn verfälschten Block. Die Quersumme des auf 10 Bit verlängerten Info-Teils stimmt zwar mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,5, jedoch rückt das Stopbit auf die Position des Startbits des folgenden UART-Blocks und wird als Fehler erkannt.

Fig. 3c zeigt entsprechend eine Fehlersituation durch Bit verlust. Der Info-Teil ist auf 8 Bit verkürzt, wodurch das Startbit des folgenden Blocks auf die Position des Stopbits rückt und als Fehler erkennbar ist.

Fig. 4 zeigt den Telegrammaufbau nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren. Ein zu übertragender Satz von Daten wird in einem ersten Schritt in UART-Blöcken in einem Telegramm nach dem DIN 19 244-Protokoll verpackt, welches auf IEC-TC57-Empfehlungen basiert und mit der Hamming-Distanz d = 4 den Anforderungen einer Prozeßdatenübermittlung ge nügt. Der Kopfteil k des DIN 19 244-Telegramms enthält eine Angabe über die Länge des Telegramms. Ein durch ein simu liertes Flag verkürztes Telegramm, das zwar vom HDLC-Proto koll akzeptiert wird, kann somit durch Längenprüfung gemäß DIN 19 244 erkannt werden.

Im zweiten Schritt wird das DIN 19 244-Telegramm als Infor mationsteil in ein HDLC-formatiertes Telegramm eingesetzt. In dieser Form wird das Telegramm übertragen. Auf der Emp fangsseite wird zuerst auf Einhaltung der HDLC-Konventionen und dann der DIN 19 244-Konventionen geprüft und dann wird schließlich ein als fehlerfrei erkannter Datensatz ausgege ben.

Claims

Verfahren zur gesicherten Datenübertragung mit einer Hamming-Distanz von d = 4 unter Verwendung von HDLC-formatierten Telegrammen, welche einen HDLC-Kopfteil, einen HDLC-Informationsteil und einen HDLC-Schlußteil um fassen dadurch gekennzeichnet, daß
- a) als HDLC-Informationsteil ein Telegramm gemäß DIN 19 244-Konvention verwendet wird, das einen Kopfteil mit einer Angabe der Anzahl der folgenden Datenblöcke, Datenblöcke im paritätsgesicherten UART-Format und einen Schlußteil enthält,
- b) empfangsseitig die Datenblockzahl benutzt wird zur Prüfung, ob eine Blockbegrenzung (= Flagzeichen) simuliert wurde, und
- c) die jeweils von den Stopbits (1) und Startbits (0) der aufeinanderfolgenden UART-formatierten Daten blöcke gebildeten 10-Bitfolgen empfangsseitig zur Prüfung hinsichtlich der Fehlerarten Bitgewinn und Bitverlust benutzt werden.