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基于EtherCAT的工业以太网安全技术的研究

文档作者：刘才思刘峰郑恩笔默尹震宇文档来源： 1．中国科学院大学 2．中国科学院 3．沈阳高精数控技术有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月06日
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2015年12月 Modular Machine Tool&amp;amp;Automatic Manufacturing Technique Dec．2015
文章编号：1001—2265(2015)12—0043-03 DOI：10．13462／j．cnki．mmtamt．2015．12．012
基于EtherCAT的工业以太网安全技术的研究米
刘才思 ，刘 峰 ，郑恩笔默 ，尹震宇 ，
(1．中国科学院大学，北京 100049；2．中国科学院沈阳计算技术研究所，沈阳 110171；3．沈阳高
精数控技术有限公司，沈阳 110171)
摘要：在研究EtherCAT协议栈，以及EtherI二AT的软、硬件结构特性和帧结构特点的基础上，分析了
EtherCAT工业以太网存在的通信故障错误，及其对应的安全通信机制措施，建立了安全系统体系结
构和安全通信协议模型，设计了EtherCAT功能安全通信过程，开发了安全协议层软件。经过试验测
试表明，通过在EtherCAT应用层之上添加EtherCAT安全通信，并且对EtherCAT通信报文中用户数
据单元进行扩展，来实现关键安全措施，满足了安全相关领域通信的要求，保障了EtherCAT系统的
安全性和可靠性。
关键词：EtherCAT；安全协议；CRC校验；残余错误率
中图分类号：TH165：TG68 文献标识码：A
Researh and Application of Industrial Ethernet Safety Based on EtherCAT
LIU Cai．silI2，LIU Feng ．一，ZHENG Liao-mo ，YIN Zhen—vu ，
(1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2．Shenyang Institute of Computing
Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 1 10168，China)
Abstract：Under the study of EtherCAT protocol stack and the characteristics of software ，hardware and
frame of EtherCAT ，we analyzed communication faults and errors in the industrial ethem et and the counter
safety communication mechanism measures，established the safety system architecture and safety communication
protocol model，designed the EtIle AT safety communication process，and developed safety protocol
layer software．As the result of experimental test shows，by adding EtherCAT safety layer upon application
layer and safety measures into user data unit with some critical safety measures，we made the protocol meet
the safety requirements of com unication related fields and guarantee the EtherCAT system safety and relia—
bility．
Key words：EtIler(=AT；safety protocol；CRC checksum ；residual error probability
0 引言
工业制造水平的不断提高，使得对于安全相关技
术的需求更加明显，要求更加严格。安全，即免受不可
接受的风险。安全从开始被认为是成本负担和“不可
避免的祸”，逐步演化为提高生产率和减少停机时间
的策略。另外，网络安全不仅可以缩短启动时间，降低
布线成本，而且，从长远看，有助于快速高效的维护。
在国际标准IEC61508中，定义了安全相关系统的
要求。此标准涵盖了从概念定义阶段到维护阶段的整
个产品生命周期。其中，不仅对设备本身做出要求，而
且还指定开发和维护过程中的要求。
一般来讲，要使得总线系统安全的方法有：设计一
个全新的总线，或完善现有总线。基于开发成本以及
兼容性的考虑，大部分现场总线都采用了完善安全功
能的措施。
本文的第一部分，将阐述EtherCAT总线的协议基
本结构。第二部分将在第一部分的基础上，阐明实现
EtherCAT安全的安全需求、相应的安全措施以及安全
层结构。最后，将讨论残余错误概率的计算方法，并给
出相应的实验结果。
l EtherCAT通信协议结构
1．1 EtherCAT协议结构
EtherCAT是一种工业以太网，它使用了以太网标
准IEEE 802．3的物理层以及链路层。
EtherCAT将其数据帧嵌入到标准的以太网帧中，
并在以太网帧类型字段中使用0x88A4作为其标识。
嵌入EtherCAT帧的以太网数据帧包括以太网帧头、数
据部分和帧检测序列FCS。以太网帧的数据部分包括
EtherCAT帧头、EtherCAT报文。EtherCAT报文又分为
多个子报文，子报文包括子报文头、数据和工作计数器
收稿日期：2015—03—06；修回日期：2015—04—01
：it基金项目：“高档数控与基础制造装备”国家科技重大专项，数控系统功能安全技术研究(2014ZX04009—031)
作者简介：刘才思(1989一)，男，内蒙古赤峰人，中国科学院大学硕士研究生，研究方向为数控技术，(E—mail)iliucaisi@gmail．tom。
(WKC)。EtherCAT也可以使用UDP／IP协议格式传
输EtherCAT数据，需要在以太网帧头和数据部分之间
插人IP报头和UDP报头。
1．2 EtherCAT通信原理
以太网帧由EtherCAT主站发送，经过每个从站，
一直到网段中的最后一个从站，当拓扑结构中的最后
一个从站设备检测到其开放端口时，于是就将帧数据
返回给主站。每个从站读取带有寻址信息的数据，同
时在报文经过时将数据插入到帧中，这种数据传输方
式称为移位同步，即从站设备读写其相应数据，同时将
数据帧传送到下一设备。EtherCAT主站是一个网段
中唯一一个可以主动发送EtherCAT帧的节点，所有其
他节点仅向下游转发帧。
EtherCAT主站通过特定的寻址方式选择从站，当
网络中有路由器或交换机时，主站根据目的MAC地址
寻址到目的网段，其中目的地址是目的网段中第一个
从站的MAC地址。当数据经过第一个网段后，从站将
目的地址和源地址互换，因为数据经过全部从站后，要
返回给主站。EtherCAT将上述的每个网段，看做成为
一个以太网设备。
2 EtherCAT安全通信机制的设计
2．1 功能安全需求
国际标准IEC 61508中，将功能安全分为传感器、
通信链路、可编程电子设备和执行器几个部分报文在
传输过程中，由于随机、硬件错误或系统失效，可导致
的通信错误有：
破坏(Corrutpion)，由于总线错误、传输介质错误
或报文冲突，而导致报文受到破坏。如，接收到的报文
未通过CRC校验。
非预期的重发(Unintended repetition)，由于错误、
故障或冲突，使得报文在非预期的时间点上，出现重
发。如，发送方在发出报文一段时间内，没有接收到接
收方的确认，而再次发送原来的报文，导致了通信错
误。
乱序(Incorrect sequence)，由于错误、故障或冲
突，导致来自某个源站的消息的预定义顺序错误。如，
报文在传输过程中，经过存储转发设备时，可能出现报
文被覆盖或者发生顺序改变。
丢失(Loss)，由于错误、故障或冲突，发出的数据
没有被接收，或者没有收到确认。
不可接受的延时(Unacceptable delay)，由于传输
介质错误、传输线路阻塞、冲突等，而导致报文延时，并
超出预定义的传输时限。
插入(Insertion)，由于故障或冲突，导致插入了一
个未知或非预期源站的报文。
伪装(Masquerade)，由于故障或冲突，使得非安全
数据插入到安全报文中，而接收方却将其作为安全数
据处理。
寻址出错(Addressing)，由于故障或冲突，使得安
全数据发送到错误的目的设备，同时该目的设备将该
报文视作正确报文接收，并做出响应。
此外，还有可能出现的错误有：不一致(Unconsistency)，
当一个报文有很多接收方时，不同的接收方以
不同的方式识别数据；另外，还有失序(Out—of-se—
quence)、回环(Loopback)错误。
2．2 安全措施
报文在传输中，可能发生如上所述的错误：破坏、
非预期的重发、乱序、丢失、延时、插入、伪装和寻址错
误等。我们制定了如下安全相关的措施：顺序号、时间
戳、时间预期、连接认证、回传、数据完整性、交叉校验
的冗余信息和不同的数据完整性系统等。
顺序号(Sequence number)，在安全报文中设置顺
序号字段，使用预定义的数字标识报文与报文间的逻
辑顺序。
时间戳(Time stamp)，通信发送方在其发送报文
中插入时间或时间数据，用以表示报文发送时间。
时间预期(Time expectation)，通常作为接收方用
来判断连续报文的时间间隔是否超过预期时间的依
据，如过超出预期，则认为发生了通信错误。看门狗
(Watchdog)定时器，可作为时间预期的应用。
连接认证(Connection authentication)，通过设定系
统中唯一的标识，来表示主站和从站的通信连接关系。
反馈(Feedback message)，接收方在接收到报文之
后，反馈给发送方的确认信息。
数据完整性(Data integrity assurance)，通过差错
控制编码技术，在信息中添加冗余码，用以发现报文是
否破坏，常见的措施有海明码、循环冗余编码等。
交叉校验的冗余信息(Redundancy with cross chec—
king)，通过在一个报文中拷贝两份安全数据，或者在将
同一报文中分为两次发送，并使用不同的完整性措施，
检验两份数据的一致性，来判断是否是安全数据。
不同的数据完整性系统(Different integrity assurance
systems)，当安全和非安全相关报文通过同一通信
线路传输时，可以通过不同的数据完整性方式和数据编
码规则，来防止非安全相关报文影响安全相关报文。
通信错误与相应的安全措施的关系如表1。
表1 通信错误与相应的安全措施的关系
安全措施
通信故障 顺序 时间 时间 连接 反馈 数据 交叉 不同的
完整性 校验的 数据
戳 预期 认证 信息 保证 冗余 完整性
信息 系统
破坏 X X X
非预期 X X X
重发
乱序 X X X
丢失 X X X
不可接受 X X
的延时
插入 X X X X X
伪装 X X X
寻址错误 X
仅限于串行总线
基于以上研究分析，设计出子报文中的安全帧结
构如图1所示。
塞全塑堡l 查竺 I垄堡 旦l壁型呈l
图1 子报文安全帧结构

图7 转动惯量变化时的传统控制响应曲线
(3)正弦追踪实验
假设追踪目标函数为：65sin(0．7166t)，图8、图9
为其误差曲线。由图可知，联合控制相对于传统PID
控制有好的跟踪特性。
图9 传统控制误差曲线
4 结论
本文研究交流伺服系统的位置控制，结合自适应
预测控制、单神经PID控制，提出了联合控制策略。仿
真实验结果表明，当系统的参数扰动及受外部干扰时，
设计的联合控制策略可保证系统的鲁棒性。
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