JP6050389B2

JP6050389B2 - 通信装置及び通信方法

Info

Publication number: JP6050389B2
Application number: JP2014559811A
Authority: JP
Inventors: スンハンリ; デヒュンクォン; チュンソクオ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: EP2822206A4; KR101639929B1; EP2822206B1; CN104272624A; KR20140142276A; JP2015508977A; US10237018B2; US20150067455A1; EP2822206A1; ES2590148T3; CN104272624B; WO2013129751A1

Description

本発明は、通信装置及び通信方法に関するものである。特に、本発明は安全通信装置及び安全通信方法に関するものである。

産業界で使用されるための安全通信（ｓａｆｅｔｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）のための方法が模索されている。特に、産業用制御システムは、作業者の安全、環境への脅威、その他の安全に関する問題を防止するためのネットワークを介して伝達される情報に対して、規定されたレベル以上の無欠性を必要とする。

このような無欠性条件を満足するために、産業用制御システムは破損（ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎ）、意図しない反復、不正確な順序、損失、受け入れ難い遅延、挿入、なりすまし（ｍａｓｑｕｅｒａｄｅ）、アドレスに関する問題に対処可能であることが必要である。

破損に対する問題に関して、産業用制御システムは送信されるデータに誤りが発生したか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

意図しない反復に対する問題に関して、産業用制御システムは悪意を有する者の意図によってではなく、自然に発生し得るデータの反復が発生したか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

不正確な順序に対する問題に関して、産業用制御システムはデータの送信順序が変更されたか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

損失に対する問題に関して、産業用制御システムは送信されるデータの一部に損失が発生したか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

受け入れ難い遅延に対する問題に関して、産業用制御システムはデータの送信に受け入れ難い遅延が発生したか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

挿入に対する問題に関して、産業用制御システムはデータの送信過程で意図しないデータが挿入されたか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

なりすましに対する問題に関して、産業用制御システムは悪意を有する者によるデータの変更が発生したか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

アドレスに対する問題に関して、産業用制御システムはデータが正しい受信者に送信されたか否かを規定されたレベル以上の確率で確認できるべきである。

特に、ＩＥＣ６１５０８では、誤りの発生確率を次の表１のようにＳＩＬ等級で示している。

例えば、ＳＩＬ３を満足するためには誤り確立は１０^-9を満足すべきである。しかし、現在利用されているパケット構造では、産業用制御システムが要求する水準の無欠性を満足することが難しい。

本発明が解決しようとする技術的課題は、産業用制御システムが要求する無欠性を満足する通信装置及び通信方法を提供することである。

本発明の一実施例による、第１通信装置が第２通信装置にデータを送信する通信方法は、第１通信装置が、複数のデータフィールドを利用して複数のデータフィールドの誤りを検出するための複数の誤り検出符号を計算するステップと、第１通信装置が、複数のデータフィールド及び複数のデータ誤り検出符号を含むパケットを生成するステップと、第１通信装置が、パケットを第２通信装置に送信するステップと、を含む。

本発明の他の実施例による、第１通信装置が第２通信装置からデータを受信する通信方法は、第１通信装置が、パケットを第２通信装置から受信するステップと、第１通信装置が、パケットから複数データフィールド及び複数の受信誤り検出符号を取得するステップと、第１通信装置が、複数のデータフィールドを利用して複数の比較誤り検出符号を計算するステップと、第１通信装置が、複数の受信誤り検出符号及び複数の比較誤り検出符号を利用して、パケットに誤りがあるか否かを判断するステップと、を含む。

本発明の実施例によると、産業用制御システムが要求する無欠性を満足することができる。

本発明の実施例による安全通信装置を示すブロック図である。本発明の実施例による通信方法を示すラダーダイヤグラムである。本発明の実施例による安全データを示す図である。本発明の実施例による誤り検出符号が計算される過程を示す図である。本発明の実施例による安全プロトコルデータユニットの構造を示す図である。本発明の実施例によるパケットの構造を示す図である。

以下、本発明に関する移動端末機について図面を参照してより詳細に説明する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾語である「モジュール」及び「部」は明細書を容易に作成するためだけに付与されるか、混用されるものであり、それ自体で互いに区別される意味又は役割を有するものではない。

以下、図面を参照して本発明の実施例による安全通信装置及び安全通信方法を説明する。

図１は、本発明の実施例による安全通信装置を示すブロック図である。

図１に示したように、本発明の実施例による安全通信装置１００は誤り検出符号計算部１１０、プロトコルデータユニット生成部（ＰＤＵ）１２０、パケット（イーサネット（登録商標）フレーム）生成部１３０、データ送信部１４０、データ受信部１５０、パケット分析部１６０、プロトコルデータユニット分析部１７０、誤り検出部１８０、制御部１９０を含む。

制御部１９０は安全データを生成し、生成された安全データを誤り検出符号計算部１１０に提供する。

誤り検出符号計算部１１０は安全データを利用して安全データのためのデータ誤り検出符号を計算する。

プロトコルデータユニット生成部１２０は、計算されたデータ誤り検出符号及び生成された安全データを含む安全プロトコルデータユニットを生成する。この際、安全プロトコルデータユニットはパケットと呼んでもよい。

パケット生成部１３０は生成された安全プロトコルデータユニットを含むパケットを生成する。

データ送信部１４０は生成されたパケットを他の安全装置に送信する。それによって、データ送信部１４０は生成された安全プロトコルデータユニットを他の安全装置に送信する。

データ受信部１５０は他の安全通信装置から安全プロトコルデータユニットを含むパケットを受信する。

パケット分析部１６０は受信したパケットを分析して安全プロトコルデータユニットを取得する。

プロトコルデータユニット分析部１７０はプロトコルデータユニットを分析してデータ誤り検出符号及び安全データを取得する。

誤り検出部１８０は安全データを利用してデータ誤り検出符号を計算した後、計算された誤り検出符号と取得したデータ誤り検出符号とを比較して誤りを検出する。計算されたデータ誤り検出符号が取得したデータ誤り検出符号と同じである場合、誤り検出部１８０は安全データに誤りが発生していないと判断する。そうではなく、計算されたデータ誤り検出符号が取得したデータ誤り検出符号と異なる場合、誤り検出部１８０は安全データに誤りが発生したと判断する。

安全データに誤りが発生したと判断した場合、制御部１９０は安全通信装置１００の動作状態をフェイルセーフ状態（ｆａｉｌ−ｓａｆｅｓｔａｔｅ）に遷移する。このフェイルセーフ状態において、安全通信装置１００はリセットのためのユーザ入力を受信するまで、安全通信を中断する。特に、このフェイルセーフ状態で安全通信装置１００は安全データに関する通信以外の通信を中断してもよいし、中断しなくてもよいが、少なくとも安全データに関する通信を中断する。

安全データに誤りが発生していないと判断した場合、制御部１９０は次に送信する安全データを生成する。受信した安全データが要求によるものであるとき、制御部１９０は応答に関する安全データを生成する。受信した安全データが応答によるものであるとき、制御部１９０は次の要求に関する安全データを生成する。

図２は、本発明の実施例による通信方法を示すラダーダイヤグラムである。

図２に示したように、第１安全通信装置１００Ａと第２安全通信装置１００Ｂとが互いに通信し、第１安全通信装置１００Ａは第２安全通信装置１００Ｂに安全プロトコルデータユニット要求を送信し、第２安全通信装置１００Ｂは第１安全通信装置１００Ａに安全プロトコルデータユニット応答を送信すると仮定する。

第１安全通信装置１００Ａの制御部１９０は要求のための安全データを生成する（Ｓ１０１）。第１安全通信装置１００Ａの制御部１９０は、要求安全データと共にこの安全データに関する安全ヘッダデータを一緒に生成してもよい。図３を参照して本発明の実施例による安全ヘッダデータ及び安全データを説明する。

図３は、本発明の実施例による安全ヘッダデータ及び安全データを示す。

図３に示したように、本発明の実施例による安全ヘッダデータは安全ヘッダフィールドで示される。安全ヘッダフィールドは安全データに関する命令フィールド及び予約フィールドを含む。

表２は、本発明の実施例による命令フィールド値の例を示す。

表２のように、命令フィールド値が０Ｘ０１であるとき安全データはリセット命令を示す。命令フィールド値が０Ｘ０２であるとき安全データは接続命令を示す。命令フィールド値が０Ｘ０３であるとき安全データはパラメータ送信命令を示す。命令フィールド値が０Ｘ０４であるとき安全データはデータ送信命令を示す。

特に、図２の実施例は命令フィールドがｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎに当たる値を有する接続状態（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔａｔｅ）での通信方法に当たる。接続状態において、第１安全通信装置１００Ａは開始者（ｉｎｉｔｉａｔｏｒ）に当たり、第２安全通信装置１００Ｂは応答者（ｒｅｓｐｏｎｄｅｒ）に当たる。開始者は応答安全データを送信せずに、要求安全データだけを応答者に送信するモードに当たる。応答者は要求安全データを送信せずに、応答安全データだけを開始者に送信するモードに当たる。

予約フィールドは後に他の用途のために使用される。

特に、図３の実施例において、安全ヘッダフィールドのサイズは４オクテットであり、命令フィールドのサイズは２オクテットであり、予約フィールドのサイズは２オクテットであり、データフィールドのサイズは４オクテットであるが、それに限ることはない。１オクテットは一般に８ビットを意味する。

更に図２を説明する。

第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０は安全データを利用して安全データのためのデータ誤り検出符号を計算する（Ｓ１０３）。この際、第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０は、安全ヘッダデータを利用して安全ヘッダデータのためのヘッダ誤り検出符号を計算する。誤り検出符号は巡回冗長検査（ＣＲＣ）である。本発明の実施例による誤り検出符号の計算に関しては図４を参照して説明する。

図４は、本発明の実施例による誤り検出符号が計算される過程を示す図である。

図４に示したように、第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０は、ヘッダデータフィールドを利用してヘッダデータフィールドの誤りを検出するためのヘッダ誤り検出符号を計算する。

また、第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０は、複数のデータフィールドを利用して複数のデータフィールドの誤りを検出するための複数のデータ誤り検出符号を計算する。

複数のデータ誤り検出符号は、複数のデータフィールドにそれぞれ対応する。この際、第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０は、複数のデータ誤り検出符号それぞれを対応するデータフィールドを利用して、そして対応するデータフィールドを除く残りのデータフィールドを利用せずに計算する。

特に、次の式１のように、第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０はヘッダ誤り検出符号（ＨＥＡＤＥＲ＿ＣＲＣ）をヘッダフィールド、固有識別子、シーケンス番号を利用して計算する。この際、固有識別子は安全固有識別子（ｓａｆｅｔｙｕｎｉｑｕｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，ＳＵＩＤ）である。

式１において、ｆはハッシュ関数を示す。

安全固有識別子は、第１安全通信装置１００Ａと第２安全通信装置１００Ｂとの間の接続関係を示す識別子である。特に、安全固有識別子は送信元（ソース）ＭＡＣ（ｍｅｄｉａａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ）アドレス、送信元装置識別子、あて先ＭＡＣアドレス、アドレス及びあて先装置識別子の組合せで作られる。第１安全通信装置１００Ａが安全データを送信し、第２安全通信装置１００Ｂが安全データを受信するため、第１安全通信装置１００Ａが送信元で第２安全通信装置１００Ｂがあて先となる。この場合、安全固有識別子は第１安全通信装置１００ＡのＭＡＣアドレス、第１安全通信装置１００Ａの装置識別子、第２安全通信装置１００ＢのＭＡＣアドレス、第２安全通信装置１００Ｂの装置識別子の組合せである。安全固有識別子は誤り検出符号の計算に利用されるだけで、安全ＰＤＵには含まれなくてもよい。

シーケンス番号は安全ＰＤＵのシーケンス番号を示す。誤り検出符号の計算に利用されるシーケンス番号は、安全ＰＤＵには含まれない仮想のシーケンス番号であってもよい。すなわち、第１安全通信装置１００Ａは仮想のシーケンス番号を誤り検出符号の計算には利用するが、第２安全通信装置１００Ｂには送信しない。

一方、次の式２のように、第１安全通信装置１００Ａの誤り検出符号計算部１１０は、複数の誤り検出符号それぞれ（ＤＡＴＡ＿ＣＲＣ［ｉ］）を対応するデータフィールド（ｄａｔａ［ｉ］）、命令フィールド、固有識別子、シーケンス番号を利用して計算する。

式２において、ｆはハッシュ関数を示す。

図４に示したようにヘッダ誤り検出符号のサイズ及びデータ誤り検出符号のサイズは４オクテットであるが、それに限ることはない。

図２を更に説明する。

第１安全通信装置１００Ａのプロトコルデータユニット生成部１２０は、安全データ及び計算されたデータ誤り検出符号を含む安全プロトコルデータユニットを生成する（Ｓ１０５）。この際、安全プロトコルデータユニットは、安全ヘッダデータ及び計算されたヘッダ誤り検出符号を更に含む。図５を参照して本発明の実施例による安全プロトコルデータユニットの構造を説明する。

図５は、本発明の実施例による安全プロトコルデータユニットの構造を示す図である。

図５に示したように、安全プロトコルデータユニットは安全ＰＤＵヘッダ及び安全ＰＤＵペイロードを順番に含む。安全ＰＤＵヘッダは安全ヘッダフィールド及びヘッダ誤り検出符号を順番に含む。安全ＰＤＵペイロードは複数の安全データフィールド及び複数のデータ誤り検出符号を含む。特に、安全ＰＤＵヘッダは安全プロトコルデータユニットの先頭に配置される。そして、複数の安全データフィールドと複数のデータ誤り検出符号とが交互に安全ＰＤＵヘッダの後に続く。この際、複数のデータ誤り検出符号はそれぞれ、対応する安全データフィールドの直後に続く。

図２を更に説明する。

第１安全通信装置１００Ａのパケット生成部１３０は要求安全データを含むパケットを生成する（Ｓ１０７）。この際、パケットは生成された安全プロトコルデータユニットを含む。図６を参照して本発明の実施例によるパケットの構造を説明する。

図６は、本発明の実施例によるパケットの構造を示す図である。

図６に示したように、パケットはヘッダ（イーサネット（登録商標）ヘッダ）、ペイロード（イーサネット（登録商標）ペイロード）、フレーム検査シーケンス（ＦＣＳ）を順番に含む。パケットはペイロードとして安全ＰＤＵを含む。パケットヘッダはプリアンブルフィールド、あて先アドレスフィールド、送信元アドレスフィールド、タイムフィールドを含む。あて先アドレスフィールドはあて先に当たる安全通信装置のアドレスを含み、送信元アドレスフィールドは送信元に当たる安全通信装置のアドレスを含む。フレーム検査シーケンスはヘッダ内のデータ及びペイロード内のデータを利用して生成される。

図２を更に説明する。

第１安全通信装置１００Ａのデータ送信部１４０は、要求安全データを含むパケットを第２安全通信装置１００Ｂに送信する（Ｓ１０９）。それによって、データ送信部１４０は、生成された安全プロトコルデータユニットを第２安全通信装置１００Ｂに送信する。

第２安全通信装置１００Ｂのデータ受信部１５０は、第１安全通信装置１００Ａから要求安全データを含む安全プロトコルデータユニットを含むパケットを受信する（Ｓ１１１）。この際、パケットは図６に示すような構造を有する。

第２安全通信装置１００Ｂのパケット分析部１６０は、受信したパケットを分析して安全プロトコルデータユニットを取得する（Ｓ１１３）。この際、安全プロトコルデータユニットは図５に示すような構造を有する。

第２安全通信装置１００Ｂのプロトコルデータユニット分析部１７０は、プロトコルデータユニットを分析して安全ヘッダデータ、受信ヘッダ誤り検出符号、要求安全データ、受信データ誤り検出符号を取得する（Ｓ１１５）。この際、第２安全通信装置１００Ｂのプロトコルデータユニット分析部１７０は、安全ヘッダフィールド、受信ヘッダ誤り検出符号、複数の要求安全データフィールド及び複数の受信データ誤り検出符号を取得する。

第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、要求安全データを利用して比較データ誤り検出符号を計算する（Ｓ１１７）。加えて、第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、安全ヘッダデータを利用して比較ヘッダ誤り検出符号を計算する。

上述したように、第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、ヘッダデータフィールドを利用してヘッダデータフィールドの誤りを検出するための比較ヘッダ誤り検出符号を計算する。特に、第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、式１のように比較ヘッダ誤り検出符号を計算する。

第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、複数のデータフィールドを利用して複数のデータフィールドの誤りを検出するための複数のデータ誤り検出符号を計算する。複数のデータ誤り検出符号は複数のデータフィールドにそれぞれ対応する。この際、第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、複数のデータ誤り検出符号それぞれを対応するデータフィールドを利用し、そして対応するデータフィールドを除く残りのデータフィールドを利用せずに計算する。特に、第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、式２のように複数の誤り検出符号それぞれを計算する。

第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出部１８０は、計算された誤り検出符号と受信した誤り検出符号とを比較して誤りを検出する（Ｓ１１９）。複数の比較データ誤り検出符号すべてが複数の受信データ誤り検出符号と同じであり、かつ比較ヘッダ誤り検出符号が受信ヘッダ誤り検出符号と同じである場合、誤り検出部１８０は安全データに誤りが発生していないと判断する。そうではなく、複数の比較データ誤り検出符号のうち一つでも受信データ誤り検出符号と異なるか、又は比較ヘッダ誤り検出符号が受信ヘッダ誤り検出符号と異なる場合、誤り検出部１８０は安全データに誤りが発生したと判断する。

安全データに誤りが発生したと判断した場合、第２安全通信装置１００Ｂの制御部１９０は安全通信装置１００の動作状態をフェイルセーフ状態に遷移する（Ｓ１２１）。このフェイルセーフ状態において、安全通信装置１００はリセットのためのユーザ入力を受信するまで、安全通信を中断する。特に、このフェイルセーフ状態で安全通信装置１００は安全データに関する通信以外の通信を中断してもよいし、中断しなくてもよいが、少なくとも安全データに関する通信を中断する。

安全データに誤りが発生していないと判断した場合、第２安全通信装置１００Ｂの制御部１９０は受信した要求安全データを消費し（Ｓ１２３）、次に送信する応答安全データを生成する（Ｓ１２５）。

第２安全通信装置１００Ｂの誤り検出符号計算部１１０、プロトコルデータユニット生成部１２０、パケット生成部１３０、データ送信部１４０は、ステップＳ１０１において、ステップ１０９で説明したように応答安全データを含む応答安全ＰＤＵを含むパケットを生成してから第１安全通信装置１００Ａに送信する（Ｓ１２７）。

第１安全通信装置１００Ａのデータ受信部１５０、パケット分析部１６０、プロトコルデータユニット分析部１７０、誤り検出部１８０、制御部１９０は、ステップＳ１１１乃至ステップＳ１２３でのように応答安全ＰＤＵを含むパケットを受信し、誤り検出を行いながら応答安全データを消費する。

本発明の一実施例によると、上述した方法はプログラムが記録された媒体上にプロセッサが読み込めるコードとして具現することができる。プロセッサが読み込める媒体の例としてはＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フレキシブルディスク、光データ記憶装置などがあり、搬送波（例えば、インターネットを介した送信）の形で具現されることも含む。

上述した移動端末機は上で説明された実施例の構成及び方法が限られて適用されるのではなく、上記の実施例は多様な変形が行われるように各実施例の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成してもよい。

Claims

第１通信装置が第２通信装置から安全データを受信する通信方法であって、
前記第１通信装置が、パケットを前記第２通信装置から受信するステップと、
前記第１通信装置が、前記パケットからヘッダフィールド、受信ヘッダ誤り検出符号、複数のデータフィールド及び複数の受信データ誤り検出符号を取得するステップと、
前記第１通信装置が、前記ヘッダフィールドを利用して前記ヘッダフィールドの誤り検出のための比較ヘッダ誤り検出符号を計算して前記複数のデータフィールドを利用して複数の比較データ誤り検出符号を計算するステップと、
前記第１通信装置が、前記複数の受信データ誤り検出符号及び前記複数の比較データ誤り検出符号を利用して、前記パケットに誤りがあるか否かを判断するステップと、
を有し、
前記パケットに誤りがあるか否かを判断するステップは、
前記第１通信装置が、前記取得された受信ヘッダ誤り検出符号及び前記計算された比較ヘッダ誤り検出符号を比べて前記複数の受信データ誤り検出符号及び前記複数の比較データ誤り検出符号のそれぞれを比べるステップと、
前記複数の比較データ誤り検出符号のそれぞれが対応する複数の受信データ誤り検出符号と等しく、前記比較ヘッダ誤り検出符号が前記受信ヘッダ誤り検出符号と等しい場合に、前記安全データに誤りが発生しなかったと判断するステップと、
前記安全データに誤りが発生しない場合、前記第２通信装置から受信された安全データに回答してまた他の安全データを前記第２通信装置で送るステップと、
前記複数の比較データ誤り検出符号の中で一つでも対応する複数の受信データ誤り検出符号と異なるか前記比較ヘッダ誤り検出符号が前記受信ヘッダ誤り検出符号と異なる場合に、前記安全データに誤りが発生したと判断するステップと、
前記安全データに誤りが発生した場合、前記第１通信装置がリセットされるまで安全通信を中断するステップを含み、
前記受信データ誤り検出符号及び前記比較データ誤り検出符号のそれぞれは前記安全固有識別子とシーケンス番号及び前記データフィールドに基づいたハッシュ関数を使用して計算され、前記安全固有識別子は送信元ＭＡＣアドレス、送信元装置識別子、あて先ＭＡＣアドレス及びあて先装置識別子の組み合わせで作られ、前記安全固有識別子及び前記シーケンス番号は前記受信データ誤り検出符号及び前記比較データ誤り検出符号それぞれの計算にだけ利用されて前記パケットには含まれず、
前記受信データ誤り検出符号及び前記比較データ誤り検出符号は、前記安全固有識別子とシーケンス番号及び前記データフィールドに基づいてハッシュ関数によって生成される、通信方法。
前記複数の比較データ誤り検出符号は前記複数のデータフィールドにそれぞれ対応し、
前記複数の比較データ誤り検出符号を計算するステップは、前記複数の比較データ誤り検出符号それぞれに対応するデータフィールドを利用して計算するステップを有する、請求項１に記載の通信方法。
前記複数のデータフィールド及び前記複数の受信データ誤り検出符号は交互に前記パケットに配置され、
前記複数の受信データ誤り検出符号はそれぞれ、対応するデータフィールドの直後に続く、請求項２に記載の通信方法。
前記安全固有識別子は、第１通信装置と第２通信装置との間の接続関係を示す識別子であり、
前記シーケンス番号は、前記パケットのシーケンス番号を示す、請求項１に記載の通信方法。