JP3850841B2 - データパケットの安全送信の監視方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つのネットワーク加入者装置間でのデータパケットの安全送信の監視方法および装置に関する。

安全性関連データを、従来のネットワーク、特に、バスシステムを介して送信する場合、一般的に、送信プロトコルに、誤り送信データと、誤りなし送信データとの残留誤り率Ｒ（ｐ）を、例えば、国際標準ＩＥＣ６１５０８によって設定されている値より下にするための付加的な手段を設ける必要があり、従って、それに相応して、特に、誤りの点で安全な周辺加入者装置と誤りの点で安全なＣＰＵ加入者装置との間での通信に関して、高い安全技術上の要求に応じるようにされている。

このことは通常、データ保護値の分だけデータを拡張することによって行われており、このデータ保護値は、有効データに基づいて生成されて、送信すべきデータパケットの有効データに相応する各々のプロトコルに付加されている。

既存の規則によると、さらに、誤り率ｐに基づいて、残留誤り率Ｒ（ｐ）が所定値を下回らないことを明示する必要があることがよくある。この際、より良好な値が明示されていない限り、ｐは値１０^−２にされる必要がある。しかし、例えば、標準ＲＳ４８５／４２２によると、データ送信は通常、より良好な誤り率、例えば、１０^−５に達している。この値が、所定の残留誤り率Ｒ（ｐ）を下回っていることを明示するのに使われる場合、連続作動状態つまりオンラインでデータ送信が監視される必要がある。この値を上回ると、安全性を指向した機能を実行する必要がある。

ヨーロッパ特許出願第ＥＰ−Ａ１−１１４７６４３号には、データ保護値の評価を介して誤り率ｐを検出する方法、およびネットワーク加入者装置について記載されている。

このヨーロッパ特許出願の開示内容によると、各々１つのデータ保護値を有しているデータパケットのネットワーク加入者装置間での送信を監視するために、データパケットの受信が、場合によっては、受信装置によって、後続の経路が示されている受信確認を用いて確認される。送信中受信されたデータパケットが誤っているかどうかが、データ保護値の検査に基づいて検出される。送信されたデータパケットを受信した加入者装置は、有効データを用いて、データ保護値を新規に生成する。続いて、このデータ保護値が、受信したデータ保護値と比較される。比較結果に基づいて、所定のまたは予め設定可能な時間間隔内か、またはデータパケットの所定の、または予め設定可能な送信回数の間、発生する誤りデータパケットおよび誤りなしデータパケット数、または受信確認の回数が求められる。それに従って、誤りデータパケットと、誤りなしデータパケットとの比、または誤りデータパケットの数が予め設定可能な閾値に達した、または上回った場合に、安全性を指向した応動が開始される。

しかし、この際、主な欠点は、特に、その種の検査が、送信データパケットが完全に受信された後でしか行うことができない点にある。その理由は、データ保護値を新規に生成するための受信有効内容も、誤りなし送信データパケットまたは誤り送信データパケットを検証するための受信データ保護値も、受信装置が完全な状態で有さなければならないからである。

従って、本発明の課題は、誤り送信データパケットおよび誤りなし送信データパケットに関して、所定の誤り、および／または予め設定可能な誤り、特に、残留誤り率限界値、および／またはビット誤り率限界値を用いて、極めて即時的な、安全性を指向した送信監視を実行可能な、安全で著しく高速のやり方を提案することにある。

この課題は、本発明によると、請求項１記載の特徴を有する方法、請求項９記載の特徴を有する装置、および／または請求項１６記載の特徴を有するネットワークによって、極めて優れたやり方で解決される。

好適かつ／または有利な実施形態または変更実施形態は、各従属請求項に記載されている。

従って、本発明によると、少なくとも２つのネットワーク加入者装置間でのデータパケット送信の監視のために、検出された誤り送信データパケットと、検出された誤りなし送信データパケットとに応動して、送信媒体上で、予め設定可能な誤りベース限界値、および／または所定の誤りベース限界値を、安全性を指向して監視する際、有効データ内で、各々少なくとも１つのネットワーク加入者装置によって予期されるデータセットを埋め込み、このデータセットを、誤り送信データパケット、および誤りなし送信データパケットを検出するのに使用することが提案される。

この際、主な利点は、送信データセットを相応の予期データセットに対して検査することによって、所定の受信加入者装置のところに各データパケットが完全に入力される前に、誤りベースの限界値を維持するようにして、安全性に関連する、送信の検証が実行されるという点にある。従って、その結果、場合によっては一方で安全性を指向した必要な応動をほぼ即時に開始することができ、他方で誤り送信データパケットの、必要とされる新規の送信を早い時点に行うことができるようになる。さらに、本発明の解決手段によると、ネットワークを、かなり効率的に、容量いっぱいに稼動、かつ／または利用することができるようになる。

有利な変更実施形態では、さらに、検出された誤り送信データパケット、および、検出された誤りなし送信データパケットの評価を実行する加入者装置が、当該評価を定義可能な時間間隔毎に行い、かつ／または誤り送信データパケットと、誤りなし送信データパケットの各数の比をとるようになっている。

特に有利な変更実施形態では、さらに、検出のために使用される有効データセットが、アドレス、および／またはコントロールブロック（例えば、この種のコントロールブロックの交換によって、ステップ列にわたって送信路をコントロールするため）を含むようになっている。

従って、本発明は、特に、加入者装置が故障したり、加入者装置が故障したことから生じる誤りデータコントロールセットおよび／またはアドレスが故障する確率が、送信媒体上の他の障害、例えば、ＥＭＣ（電磁的両立性）障害によって生じる誤り送信の確率より著しく小さいネットワークに適用可能である。

アプリケーション特有の構成に応じて、好適には、誤り率、残留誤り率、および／またはビット誤り率に基づく限界値または閾値に対して監視が実行される。

さらに、実際には特に、所定の長さの誤りデータセットを受信する確率と、予め設定可能な最大誤り率との間のベルヌーイ分布に基づく関数関係を用いて、離散無記憶送信チャネルに基づいて監視を実行すると、本発明による効率的な安全性関連の監視を、アプリケーション特有に高い安全性が保証されるように行うことができることが好適であると示されている。

極めて目的に適った実施形態では、本発明によると、さらに、予め設定可能な最大誤り率および／または所定の最大誤り率と、予期されるデータセット内のビットの個数との積を、限界値、または閾値として定義することが提案されている。

さらに、本発明によると、好適には、監視を、実質的にこの監視のために特定された各加入者装置によって実行可能であり、その結果、特定のネットワーク構成に応じて、スレーブ加入者装置、および／またはマスタ加入者装置がこの監視のために構成可能であるようにすることができる。それゆえ、有利な変更実施形態では、中央での監視を実行するために、検出された誤り送信データセット、および／または検出された誤りなし送信データセットについての情報を、各々少なくとも１つの、検出加入者装置から監視加入者装置に送信することが提案されている。従って、送信媒体での本発明による監視により、簡単にネットワーク特有に適合させることができ、その際また、例えば、検出された送信誤りの重み付けが、誤り検出の各々の場所、および後続のネットワーク構造に基づいて行なわれる。

本発明により適合化されたネットワークは、有利には、バスシステム、特に、リング型バスシステムとして構成されており、その際また、リニア型、スター型、ツリー型および／または他の形式のバスおよび／またはネットワーク構造も本発明により検出される。

別の有利な態様では、本発明は、オートメーションプラントの運転用、ビル制御技術用、人員輸送用の、ならびに処理産業および／または製造産業での、本発明により適合化されたネットワークを含む。

本発明について、図面を参照して、有利であるが例示である実施形態を用いて以下でより詳細に説明する。

図１を参照して、本発明を使用するのに有利なネットワーク構造を示す。このネットワーク構造には、相応の通信ドライバおよびプログラミング可能な安全性制御モジュールを有するバスマスタと、Ｉ／Ｏで示された種々の入出力ネットワーク加入者装置（場合によっては、分散された安全性機能部が統合されている）、並びに、システムカップラ、およびゲートウェイＢＫが含まれている。入出力加入者装置は、システムカップラおよびゲートウェイＢＫが設けられているにもかかわらず、ネットワーク全体にわたって分散されている。ネットワークの構造全体は混合されていて、相互に結合された個別リング型、リニア型、スター型、およびツリー型のバス構造を有している。

本発明の安全性監視の処理を、マスタに対応付けられた安全性制御部のドライバコンポーネントによって行う場合、全応動時間に、ネットワークを介しての送信時間も考慮する必要がある。したがって、この安全性機能部を、相応に適合されたドライバモジュールに基づいて、安全な入出力加入者装置に統合することによって、安全性を指向した応動のための処理時間も短縮され、特に、加入者装置間でデータを送信する際に、誤りベース限界値または閾値の超過が検出されるとすぐに応動される。

さらに図２を参照して、本発明により送信すべきデータパケット１を例として示す。データパケット１は、プロトコル固有の有効データブロック２と、この有効データブロック２に付加されたデータブロック３とを有しており、このデータブロック３には、有効データブロック２に基づくデータ保護が含まれている。

従来技術では、その種のデータ保護ブロック３は、送信加入者装置によってドライバ型の適合された手段を用いて生成されて、有効データブロック２内のデータを用いて、誤り検査アルゴリズム、例えば、既知の「Ｃｙｃｌｅ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ（巡回冗長検査）」の形式での誤り検査アルゴリズムを実行することができる。この際、誤り検査アルゴリズムを用いて、送信すべきデータパケット１の有効データ２を送信する前に、有効データ２に後続して送信フォーマットに付加されるＣＲＣ（巡回冗長検査）値の形式で、保護データ３が生成される。

本発明によると、有効データブロック２は、純粋な入出力データあるいはプロセスデータ２１に対して付加的に、さらにアドレス２２、および／またはコントロールセット２３および／または付加的な安全データ、または安全でないデータを含んでいる。これらのデータは、データ保護ブロック３のように、各々のデータパケットの送信時のデータ保護に使われず、むしろこのデータにより、通信加入者装置が、相手加入者装置の申し分のない機能を検査することができるようになる。このように例えば、コントロールセット２３を各々交換することによって、ステップ列にわたって送信路をコントロールすることができるようになる。

この付加的なデータ２２、２３の主な特徴は、要するに、特定のネットワーク構成に応じて受信および／または観測する加入者装置が、データ内容に関して予期し続ける点にある。加入者装置には、このデータが、相手加入者装置あるいは送信加入者装置が誤りなく機能している場合に、つまり受信前に知らされる。

加入者装置の故障の確率、および、加入者装置の故障の結果生じる誤りのあるデータコントロールセット２３および／またはアドレス２２は、他の原因、例えばＥＭＣ（電磁的両立性）障害による送信媒体でのデータの誤り送信よりも非常に少ないので、本発明によると、以下で詳述するように、送信媒体上の誤り率ｐは、誤り送信データコントロールセット２３および／またはアドレス２２と、誤りなし送信データコントロールセット２３および／またはアドレス２２との比から求められる。

従来のネットワークシステム全ての場合にたいてい、加入者装置の故障の確率は、他の原因の結果生じるデータの誤り送信の確率よりも低いことが示される。

限界値または閾値を求めるための数式について、以下、例を用いて説明する。この際、分かり易くするために、２進対称離散無記憶送信チャネル（つまり、いわゆるハードデシジョンチャネル、ＤＭＣ）での、確立的に分布された、独立した誤りが生じているものとする。さらにベルヌーイ分布の仮定に基づいて、有利には、所定の長さ「１」の誤り送信データコントロールセット２３を観測および／または受信する確率Ｅ（ｐ）と、送信媒体上での予め設定可能な誤り率ｐおよび／または所定の誤り率ｐとの関連は、以下のように得られる：

その際、「ｅ」は、所定の長さ「１」に至るまでのビットシーケンス変数を示す。

したがって、小さな誤り率ｐの場合には、
Ｅ（ｐ）＝ｐ・ｌ
が近似的に当てはまる。

したがって、確率Ｅ（ｐ）は、目的に適うように、誤り送信有効データセットと、誤りなし送信有効データセットとの比から求められ、その結果、誤り率ｐは、
ｐ＝Ｅ（ｐ）／ｌ
で得られる。これに対して、有効データブロック２に付加されたデータ保護値３は、評価の際に考慮する必要はなく、従って、応動をより早い時点で行うことができる。これは、監視のために、データパケットの一部分を受信すれば充分であるためである。

例えば、最大誤り率ｐ_ｍａｘ＝１０^−５が設定されている場合（この値は超えてはならず、例えば、監視すべきデータセットの長さ「１」は、８ビットである）、確率Ｅ（ｐ）は８＊１０^−５となる。

したがって、平均で、監視すべき１２５００個のデータセットのうちの１個にしか誤りはない。そうでない場合には、その結果、相応に予め調整された、またはこの調整から得られた安全性関連応動を開始するように動作される。

補完的または代替的には、安全性関連反応を、定義可能な時間間隔毎に検出された誤り送信データパケットおよび検出された誤りなし送信データパケットに依存して実行するようになっている。

この際、本発明による安全性監視は、監視すべきデータセットおよび／またはアプリケーションベースのネットワーク構造の特定の構成に応じて、前述のように、マスタまたはスレーブ加入者装置で実行してもよい。従って、受信加入者装置および／または観測加入者装置は、安全性を指向した本来の監視を実行していない場合、検出された誤り送信有効データセットについての相応の情報を、単数または複数の監視加入者装置に送信する。例えば、検出された送信誤りの重み付けによって、誤り検出の各々の場所および後続のネットワーク構造に基づいて、および／または、ネットワークを介する送信時間を考慮することによって、簡単なネットワーク特定の適合が確実に行われる。

さらに、本発明は、好適には、製造産業、人員輸送、燃焼技術、処理産業の領域、または、ビル制御技術の領域でのネットワーク、特に、バスシステム用に利用可能である。

本発明に使用するための例示的なネットワーク構造を示す図である。 本発明により送信すべきデータパケットの有利な構造を示す図である。

Claims (18)

1. 検出された誤り送信データパケット（１）と検出された誤りなし送信データパケット（１）とに応動して、予め設定する及び／又は予め設定可能な誤りベースの限界値を、送信媒体上で安全性ベースで監視する、サブシステムを有するネットワークの加入者装置である少なくとも２つのネットワーク加入者装置間でのデータパケットの送信を監視する方法において、
   各々の場合において、少なくとも１つのネットワーク加入者装置によって予期され、そして、前記データパケット（１）が正しく送信されたか否かを決定するのに用いるデータセット（２２、２３）を、データパケット（１）の各々の有効データ（２）で送信することを特徴とするデータパケットの送信監視方法。
2. 検出された誤りデータパケット（１）と検出された誤りなしデータパケット（１）とを定義可能な時間間隔毎に評価することを特徴とする請求項１記載の送信監視方法。
3. 検出された誤りデータパケット（１）と、検出された誤りなしデータパケット（１）との比を形成することを特徴とする請求項１または２記載の送信監視方法。
4. アドレスセット（２２）および／またはコントロールセット（２３）を予期されるデータセット（２２、２３）として使用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の送信監視方法。
5. 所定の長さの誤りデータセットを受信する確率と予め設定可能な最大誤り率との間の、ベルヌーイ分布に基づく関数関係を用いた離散送信チャネルに基づいて、メモリなしで、前記監視を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の送信監視方法。
6. 予め設定する又は予め設定可能な誤り率と予期されるデータセット内のビット数との積を、誤りベースの限界値として定義することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の送信監視方法。
7. 前記監視は、少なくとも１つのスレーブ加入者装置および／または少なくとも１つのマスタ加入者装置に関して行われることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の送信監視方法。
8. 前記監視を行うために、検出された誤りデータパケットおよび／または検出された誤りなしデータパケットについての情報を、各々の場合において、少なくとも１つの待機加入者装置から少なくとも１つの監視加入者装置に送信することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の送信監視方法。
9. 検出された誤り送信データパケット（１）と検出された誤りなし送信データパケット（１）とに応動して、予め設定する及び／又は予め設定可能な誤りベースの限界値を安全性ベースで監視する手段を含む、サブシステムを有するネットワークの加入者装置である少なくとも２つのネットワーク加入者装置間でのデータパケットの送信を監視する装置において、
   データパケット（１）の各々の有効データ（２）内に埋め込まれた予期データセット（２２、２３）に基づいて、誤り送信データパケット（１）と誤りなし送信データパケット（１）とを決定する手段を有することを特徴とするデータパケットの送信監視装置。
10. 検出された誤りデータパケット（１）と検出された誤りなしデータパケット（１）とを定義可能な時間間隔毎に評価し、および／または、検出された誤りデータパケット（１）と検出誤りなしデータパケット（１）との比を形成するよう、前記安全性ベースで監視する手段が設計されていることを特徴とする請求項９記載の送信監視装置。
11. 前記決定手段は、アドレスセット（２２）および／またはコントロールセット（２３）に応動することを特徴とする請求項９または１０記載の送信監視装置。
12. 前記監視手段が、メモリなしで離散送信チャネル用に構成されており、そして、該監視手段は、ベルヌーイ分布に基づいて、所定の長さの誤りデータセットを受信する確率と予め設定可能な最大誤り率との間の関数関係を形成することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の送信監視装置。
13. 予め設定する又は予め設定可能な誤り率と前記予期データセットの長さとの積を、誤りベースの限界値として定義することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の送信監視装置。
14. 前記決定手段はスレーブ加入者装置に対応付けられ、前記監視手段は、少なくとも１つのスレーブ加入者装置および／またはマスタ加入者装置に対応付けられていることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の送信監視装置。
15. 検出された誤りデータパケットおよび／または検出された誤りなしデータパケットに応動して、少なくとも１つの監視加入者装置に相応の情報を送信するよう構成されたネットワーク加入者装置に、前記決定手段は対応付けられていることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の送信監視装置。
16. 請求項９乃至１５のいずれかに記載の装置を有するネットワーク。
17. リング型、リニア型、スター型、および／またはツリー型に構成された少なくとも１つのバスシステムを有する請求項１６記載のネットワーク。
18. 建築統制技術、処理産業、製造産業、人員輸送、および／またはオートメーションプラントの稼働で用いられることを特徴とする請求項１６又は１７記載のネットワーク。

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