Экспериментальный подход при оценке класса достоверности протоколов передачи данных для телемеханических функций

Ю. А. Бледный; Д. В. Войтиков; В. В. Иванов

УДК 621.398

Ю. А. БЛЕДНЫЙ, Д. В. ВОЙТИКОВ, В. В. ИВАНОВ (ВИНК)

Научно-производственная фирма систем автоматизации и управления «ВИНК», г. Днепропетровск, эл. почта: [email protected]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД ПРИ ОЦЕНКЕ КЛАССА ДОСТОВЕРНОСТИ ПРОТОКОЛОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

Введение

В настоящее время АРМ участкового энергодиспетчера (АРМ ЭЧЦ) становится частью энергодиспетчерской информационно-управляющей системы железной дороги. Он играет ключевую роль в оперативном управлении системой тягового электроснабжения, обеспечении производства плановых и аварийно-восстановительных работ, а также является источником оперативной информации в реальном времени.

Современный АРМ-ЭЧЦ включает функции телемеханики на энергодиспетчерском (ДП) и контролируемых (КП) пунктах. В состав АРМ ЭЧЦ входит современная вычислительная и микропроцессорная техника, устанавливаемая на ДП и КП, и используются передовые информационные технологии.

При использовании в АРМ ЭЧЦ существующих стандартных протоколов и стандартных кодовых форматов важно оценить их соответствие требованиям достоверности для функций телеконтроля и телеуправления. Используемые кодовые форматы сообщений должны быть надежно защищены от ошибок, потерь сообщений и возникновения ложных сообщений. При условии достаточной достоверности большое значение играет минимальное время передачи

за счет применения короткоформатных и бит-ориентированных кодов.

Требования к достоверности передачи данных для телемеханических функций и обзор известных алгоритмов расчета контрольных сумм

Согласно стандарту IEC 60870 (МЭК 60870) Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission) для систем телемеханики существуют три класса достоверности передачи данных: Ii, I2, I3. Применение того или иного класса достоверности определяется характером (важностью) передаваемых сообщений. Для классов достоверности устанавливаются требования к вероятности ошибочного приема сообщения: для Ii Rпр=2"1, для I2 Rпр=2-8, для I3 R^=10-12 [1][2].

Стандарт МЭК по системам телемеханики предусматривает определенные кодовые форматы для обеспечения заданных классов достоверности передаваемых данных [1][4]. Рекомендуются форматы FT 1.1, FT1.2, FT2, FT3.

Вероятность необнаруживаемых ошибок зависит от вероятности ошибочного приема бит -p. Значение p=10-4 соответствует удовлетворительному качеству канала передачи [1]. Расчетные данные классов достоверности для 100-битных блоков данных и скорости передачи 1200 бит/с приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1

Расчетные данные классов достоверности

Класс достоверности Вероятность ложных сообщений R при p=10-4 Ожидаемое время Т между ложными сообщениями Основная область

I1 10-6 1 день Циклические телеизмерения (ТИ)

I2 10-10 26 лет Передача телесигнализации, ТИ важных параметров

Ь 10-14 260 000 лет Телеуправление, телеавтоматика

Форматы FT1.1 обеспечивают класс достоверности II. FT1.2, FT2 обеспечивают класс достоверности 12, FT3 - класс достоверности 12 во всем диапазоне изменения вероятности ошибки на бит (р<0.5) и класс 1з при р<10-3. Формат

FT3 используется при передаче особо важных сообщений, например команд телеуправления (ТУ) и т.п.

Формат кодового предложения FT3 представлен на рис 1.

CS-16 CS-16

m=8,16,...112 4-:-► 16 4-► m=8,16,... 112 4---► 16 4-►

d = min {dy I,

Рис. 1. Формат кодового предложения FT3

Кадр другого известного протокола MODBUS RTU представлен в таблице 2.

Таблица 2

Кадр сообщения Modbus RTU

Адрес подчиненного устройства Номер функции Данные CRC

1 байт 1 байт N < 253 байта 2 байта

Для расчета контрольной суммы в кадре Modbus RTU используется число-полином 0x8005 и реверсирование данных.

Формат FT3 должен обеспечивать кодовое расстояние d=6 при числе информационных байт до 14.

Кодовым расстоянием d для кода, содержащего m кодовых комбинаций, является минимальное расстояние между всеми парами кодовых комбинаций, т.е.:

где i=1,2..m; j=1,2...m.

Таким образом, кодовое расстояние d=6 означает, что формат обеспечивает обнаружение ошибок кратности меньше 6.

Разряды блока данных называют информационными, а дополнительные называют проверочными. Проверочный блок формируется образующим полиномом P(x), который может различаться для различных стандартов. Алгоритм расчета контрольной суммы для передаваемого сообщения называется CRC (Cyclic Redundancy Code - циклический избыточный код).

Для передачи телесигнализации (ТС) и телеуправления необходимо выбрать алгоритм расчета контрольной суммы, который будет обеспечивать наибольшую достоверность при определенных заданных условиях.

Полиномы, наиболее широко применяемые в телемеханике для расчета контрольной суммы, представлены в таблице 3 [2].

Таблица 3

Полиномы расчета контрольной суммы

Образующий полином Число-полином (hex) / Реверсивное число-полином Протоколы, использующие полином

x16 + x15 + x2 + 1 0x8005 / 0xA001 Bisync, Modbus RTU, USB, ANSI X3.28

x16 + x12 + x5 + 1 0x1021 / 0x8408 X.25, HDLC, XMODEM, Bluetooth, SD

x16 + x13 + x12 + x11 + x10 + x8 + x6 + x5 + x2 + 1 0x3D65 / 0xA6BC DNP, IEC 60870, M-Bus

При вычислении контрольной суммы алгоритмы могут использовать различные начальные константы (1пй) и различные способы обработки пакета данных: реверсирование исходного сообщения ^еЯп), реверсирование ре-

зультата ^еГОШ) и операция исключающего ИЛИ над результатом(XOROut).

Параметры распространенных алгоритмов представлены в таблице 4 [3].

Таблица 4

Параметры распространенных CRC алгоритмов

Название число-полином (hex) Константа инициализации (Init) (hex) Реверсирование данных (RefIn) Реверсирование результата (RefOut) Операция исключающего ИЛИ над результатом (Хо-ЮШ;)^ех)

"ARC", "CRC-16" "CRC-IBM" ,"CRC-16/ARC" "CRC-16/LHA" 0x8005 0x0000 + + 0x0000

CRC- 16/AUG-CCITT 0x1021 0x1D0F - - 0x0000

CRC-16/BUYPASS CRC- 16/VERIFONE 0x8005 0x0000 - - 0x0000

CRC- 16/CCITT-FALSE 0x1021 0xFFFF - - 0x0000

CRC-16/DDS-110 0x8005 0x800D - - 0x0000

CRC-16/DECT 0x0589 0x0000 - - 0x0001

CRC-16/DNP 0x3D65 0x0000 + + 0xFFFF

CRC-16/EN-13757 ISO/IEC 60870-5-2 0x3D65 0x0000 - - 0xFFFF

CRC- 16/GENIBUS 0x1021 0xFFFF - - 0xFFFF

CRC-16/MAXIM 0x8005 0x0000 + + 0xFFFF

CRC- 16/TELEDISK 0xA097 0x0000 - - 0x0000

CRC-16/USB 0x8005 0xFFFF + + 0xFFFF

KERMIT CRC-16/CCITT CRC- 16/CCITT-TRUE CRC-CCITT 0x1021 0x0000 + + 0x0000

MODBUS RTU 0x8005 0xFFFF + + 0x0000

X-25 CRC- 16/IBM-SDLC CRC-16/ISO-HDLC 0x1021 0xFFFF + + 0xFFFF

XMODEM ZMODEM CRC-16/ACORN 0x1021 0x0000 - - 0x0000

Для некоторых алгоритмов характерны так называемые «слепые пятна». Дело в том, что кроме искажений битов, возможны пропуски и дублирование байтов данных. Если блок данных содержит одни нули, то, к примеру, у алгоритмов CRC-16-IBM и TELEDISK контрольная сумма также будет нулевой и, таким образом, алгоритм не будет обнаруживать усеченные сообщения или сообщения, содержащие лишние нулевые байты. Что бы этого не происходило, применяют константу Init неравную нулю.

При применении XORout CRC будет отлична от нуля, но будет одинаковой при любой длине сообщения, состоящего из нулевых байтов. А при использовании константы Init CRC будет разной для блоков данных разной длины. Исследование устойчивости алгоритмов расчета контрольной суммы к ошибкам различной кратности

Объектом исследований являются протоколы IEC 60870 и MODBUS RTU. В качестве критерия оценки достоверности выбираем вероятность получения ошибочного сообщения при различных длинах информационного блока.

Цель исследования - оценить достоверность передаваемых данных, обеспечиваемую форматами известных протоколов, на основании экспериментально полученного количества необ-наруживаемых ошибок.

Методика исследования

Первоначально определяем количество не-обнаруживаемых ошибок для блоков данных

длиной 48, 112 и 240 бит. Длина блока данных 112 бит - это длина информационного блока кодового формата FT3 протокола IEC 60870 для функций телемеханики. Общая длина блока данных и контрольной суммы составляет 128 бит. Блок длиной 48 бит вместе с контрольной суммой имеет длину 64 бита, что составляет половину длины кодового формата FT3 и позволяет рассчитать количество необнаруживае-мых ошибок большей кратности. Кадр протокола MODBUS RTU имеет максимальную длину 256 байт (2048 бит), поэтому выбран размер кодового слова в два раза больше, чем размер кодового слова в формате FT3, но меньше, чем максимальный размер в формате MODBUS RTU.

Случайным образом выбирается блок данных указанной длины. Рассчитывается контрольная сумма для этого блока. Кодовый блок, состоящий из информационного и контрольного блоков, подвергается искажениям указанной кратности. Полученный искаженный блок состоит из искаженного блока данных и искаженной контрольной суммы.

Далее производится расчет контрольной суммы для искаженного блока, если полученная контрольная сумма совпадает с искаженной контрольной суммой, то ошибка является необ-наруживаемой. Например, возьмем информационный блок B размером 16 бит (2 байта): 110F(hex).

B=110F(hex)= 1000.1000.1111.0000 (bin), биты расставлены в порядке их поступления в канал связи (слева направо).

Посчитаем контрольную сумму по алгоритму MODBUS RTU:

S = E 44D(hex) = 1011.0010.0010.0111 (bin)

Сделаем искажение блока данных и контрольной суммы:

1000.1000.1111.0000.1011.0010.0010.0111= 110F4DE4 - исходный блок 1000.0100.1111.0000.1001.1010.0010.0111= 210F59E4 - искаженный блок Исказились 4 бита сообщения:5,6,19,21. Искаженный блок данных B—210F, искаженная контрольная сумма S'=E459. Подсчитаем CRC для B':

CRC (B') = E 459

Таким образом, CRC(B')=S', т.е. такая ошибка является необнаруживаемой. Для выбранного алгоритма и для информационного блока размером 16 бит таких необнаруживаемых

ошибок будет 24, а число возможных искажений - 35960.

Выбранный кодовый блок подвергается всем возможным искажениям определенной кратности (с учетом всех возможных искажений контрольной суммы CRC).

Многократные поиски необнаруживаемых ошибок для различных случайных информационных блоков одинаковой длины показывают одно и то же количество необнаруживаемых ошибок. Количество необнаруживаемых ошибок не зависит от содержимого блока данных.

Исследование производилось с помощью специально созданной программы. Программа перебирает все возможные комбинации искажений исходного блока данных. Количество комбинаций и время поиска необнаруживаемых ошибок представлены в таблице 5. Исследование проводилось на компьютере с процессором Intel® Core 2 Duo 2,2 ГГц с использованием распараллеливания процессов (задействовалось два ядра процессора).

Таблица 5

Число возможных комбинаций искажений и время поиска необнаруживаемых ошибок

Кратность ошибки Размер инф. блока, бит Число комбинаций искажений Время обработки (Скорость обработки)

3 41 664 00.015 с (2,8 млн комб./с)

4 48 635 376 00.172 с (3,7 млн комб./с)

5 7 624 512 01.578 с (4,8 млн комб./с)

6 74 974 368 17.484 с (4,3 млн комб./с)

3 341 376 0.079 с (4.3 млн. комб./с)

4 10 668 000 2.797 с (3,8 млн комб./с)

5 112 264 566 400 01 мин 01 с (4.3 млн комб./с)

6 5 423 611 200 расчетное время 21 мин при скорости (4.3 млн комб./с)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3 2 763 520 0.781 с (3,538 млн.комб./с)

4 240 174 792 640 52.282 с (3,343 млн. комб./с)

5 8 809 549 056 расчетное время 44 мин

6 368 532 802 176 расчетное время 30 часов

Как видно из таблицы, проведение исследований с большими блоками и большими кратностя-ми искажений занимает много времени. Поэтому для больших чисел можно пользоваться теоретическим количеством необнаруживаемых ошибок, которое приближенно рассчитывается по известной формуле [1]:

J_

(1)

где:

e = 4,6,8,.. .256 - кратность ошибок; n - суммарный размер блока данных и контрольного блока CRC.

Для блока данных длиной 112 бит, CRC 16 бит и кратности ошибки 4 имеем:

А « 128!((128 - 4)!• 4!) / 32768 « 326 ошибок

Точное количество необнаруживаемых ошибок зависит от выбранного полинома. Например, при одной и той же длине информационного блока, алгоритм, используемый в FT3 1ЕС 60870 выявляет все ошибки кратности 4 для кодового слова длиной 128 бит, а MODBUS RTU не обнаруживает 2320 ошибок той же кратности (см. табл. 6).

Для блока данных 240 бит, получаем следующие величины:

А « 256!((256 - 4)!• 4!) / 32768 « 5334 ошибок

Точное количество необнаруживаемых RTU - 14995 (см. табл. 6). ошибок для МЭК 60870 - 5460, для MODBUS

Таблица 6

Результаты исследований устойчивости алгоритмов расчета контрольной суммы к случайным ошибкам различной кратности

Алгоритм, число - полином Размер блока данных, бит Количество необнаруживаемых ошибок при искажении кратности e

e=1 e=2 e=3 e=4 e=5 e=6

CRC-IBM, CRC- 16/ARC 0x8005 48 0 0 0 364 0 9414

112 0 0 0 2320 0

240 0 0 0 14995 —

CRC- 16/AUG-CCITT 0x1021 48 0 0 0 84 0 2430

112 0 0 0 574 0

240 0 0 0 5344 —

CRC- 16/BUYPAS S 0x8005 48 0 0 0 364 0 9414

112 0 0 0 2320 0

240 0 0 0 14995 —

CRC-16/DDS-110 0x8005 48 0 0 0 364 0 9414

112 0 0 0 2320 0

240 0 0 0 14995 —

CRC-16/DECT 0x0589 48 0 0 0 0 0 2308

112 0 0 0 0 0

240 0 2 0 8255 —

CRC-16/DNP 0x3D65 48 0 0 0 0 0 2051

112 0 0 0 0 0

240 0 105 0 5460 —

CRC-16/EN-13757 ISO/IEC 60870-5-2 0x3D65 48 0 0 0 0 0 2051

112 0 0 0 0 0 170581

120 0 0 0 0 —

128 0 0 0 0 —

136 0 1 0 0 —

144 0 9 0 36 —

240 0 105 0 5460 —

CRC- 16/MAXIM 0x8005 48 0 0 0 364 0 9414

112 0 0 0 2320 0

240 0 0 0 14995 —

CRC-16/TELEDISK 0xA097 48 0 0 0 0 0 2251

112 0 0 0 121 0

240 0 0 0 5081 —

CRC-16/USB 0x8005 48 0 0 0 364 0 9414

112 0 0 0 2320 0

240 0 0 0 14995 —

KERMIT, CRC- 16/CCITT 0x1021 48 0 0 0 84 0 2430

112 0 0 0 574 0

240 0 0 0 5344 —

MODBUS RTU 0x8005 48 0 0 0 364 0 9414

112 0 0 0 2320 0

240 0 0 0 14995 —

X-25,CRC-16/IBM-SDLC 0x1021 48 0 0 0 84 0 2430

112 0 0 0 574 0

240 0 0 0 5344 —

XMODEM,ZMODEM 0x1021 48 0 0 0 84 0 2430

112 0 0 0 574 0

240 0 0 0 5344 ----

Полученные результаты исследований пока- рах блока данных. Так, алгоритм расчета кон-зывают, что не многие алгоритмы обеспечивают трольной суммы, используемый в протоколе кодовое расстояние d=6 даже при малых разме- Modbus RTU, не обнаруживает ошибки кратно-

сти 4. Для блока размером 112 бит, возможно появление 2320 необнаруживаемых ошибок кратности 4. В то же время алгоритм, используемый форматом FT3 в протоколе 1ЕС 60870, обнаруживает все искажения битов кратности до 5 включительно при размере блока данных до 128 бит включительно. Кроме того, количество необна-руживаемых ошибок может отличаться у разных протоколов, в зависимости от выбранного полинома для расчета контрольной суммы.

Для формата FT3 определена граница размера блока данных (16 байт), превышение которой больше не обеспечивает кодовое расстояние d=6. При размере блока в 17 байт, резко (см. табл. 7) увеличивается вероятность ошибочного приема сообщения.

Исходя из полученных данных, можно определить, к какому классу достоверности будет относиться кодовый формат при использовании конкретного алгоритма расчета контрольной суммы.

Вероятность ошибочного приема сообщения R рассчитывается по известной формуле [1]:

Я = (1 - р)

i=d

где:

А1 - количество ошибок кратности 1,

р - вероятность искажения бита.

При малых р (р<10-3), (1-р)«1 и выражение (1)

п

может быть принято равным ^ А . При малых р

i=d

наибольший вклад в сумму(3) вносит слагаемое при i=d, т.е.

Я = .

Ожидаемое время Т между ложными сообщениями рассчитывается по формуле [1]:

Т = п / (уК),

где п - размер кодового слова, V - скорость передачи данных, R - вероятность ошибочного приема сообщения.

Сравним вероятности ошибочного приема сообщения при р=10-4 (удовлетворительное качества канала) и при р=10-3 (канал с большими помехами). Используя формулы (2), (3), (4) и данные таблицы 6 получим результаты, приведенные в таблице 7.

Таблица 7

Сравнение вероятностей ошибочного приема сообщения при использовании кодовых форматов протоколов MODBUS RTU и IEC 60870 при различном качестве канала связи

Протокол, вероятность искажения бита р Длина кодового слова, бит Вероятность приема ложного сообщения R Ожидаемое время Т между ложными сообщениями Класс достоверности

MODBUS 10-3 64 3.64*10-10 4.6 года 12

128 2.3*10-9 537 дней 12

256 1.5*10-8 164 дня 12

MODBUS 10-4 64 3.64*10-14 46 000 лет 13

128 2.3*10-13 14 000 лет 13

256 1.5*10-12 4 500 лет 12

64 2.1*10-15 805 000 лет 13

128 1.7*10-13 19 000 лет 13

1ЕС 60870 144 «3.4*10-13 11 000 лет 13

10-3 152 1*10-6 35 часов 12

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

160 9*10-6 4 часа 12

256 1.1*10-4 32 мин 12

64 2.1*10-21 800 млрд. лет 13

1ЕС 60870 128 1.7*10-19 19 млрд. лет 13

10-4 152 1*10-8 146 дней 12

256 1.1*10-6 2 дня 12

Таким образом, использование алгоритма CRC-16-1ВМ (MODBUS RTU) для передачи данных по каналам связи с неудовлетворительным качеством (р = 10-3) обеспечивает класс достоверности 12 и не обеспечивает 13.

Алгоритм, используемый в протоколе 1ЕС 60870, обеспечивает кодовое расстояние d=6 (при длине кодового слова до 128 бит), т.е. возможны необнаруживаемые ошибки кратности 6, поэтому алгоритм обеспечивает класс достоверности 13 для

каналов связи с неудовлетворительным качеством(р=10-3). Использование пакета большей длины значительно снижает защитные свойства алгоритма.

Исследование устойчивости алгоритмов расчета контрольной суммы к пакетным ошибкам различной длины

Анализ ошибок при передаче информации по каналам связи показывает, что часто ошибки не независимы, а группируются в пакеты (пачки) ошибок [1]. Пакетом ошибок длины Ь называется последовательность символов, искажения в которых произошли среди Ь идущих подряд символов, первый и последний из которых обязательно искажены. Любой циклический код, образованный полиномом с высшей степенью к, обнаруживает пакеты ошибок длины Ь в кодовом слове, если Ь<к.

Рассматривая пакеты ошибок, следует учитывать порядок поступления информационных битов в канал связи. Байты данных могут поступать в канал старшим битом вперед или младшим битом вперед.

Рассчитанная контрольная сумма искаженного блока данных может совпасть с искаженной при передаче контрольной суммой.

Количество возможных искажений для блока данных длиной п и пакетом ошибок длиной Ь (Ь>1) можно рассчитать по формуле:

N = (п +16 - Ь + 1) • 2(Ь-2), {п > Ь > 1},

Проведем исследование устойчивости нескольких известных алгоритмов к пакетным ошибкам.

Методика исследования

1. Случайным образом выбирается информационный блок.

2. Вычисляется контрольная сумма.

3. Производятся все возможные пакетные искажения выбранной длины.

4. Для каждого из N искаженных блоков данных вычисляется контрольная сумма и сравнивается с искаженной контрольной суммой. Если контрольные суммы совпадают, значит, искажение является необнаруживаемым.

Результаты исследования представлены в таблице 8.

Таблица 8

Результаты исследований устойчивости алгоритмов расчета контрольной суммы к пакетным искажениям размера Ь

Алгоритм (число - полином) Размер блока данных Длина пакета ошибок Ь

b=2 b=13 b=14 b=15 b=16 b=17 b=18 b=19

CRC-IBM,CRC- 16/ARC 0x8005 48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

CRC- 16/AUG-CCITT 0x1021 48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

CRC-16/DECT 0x0589 48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

CRC-16/EN-13757 48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

ISO/IEC 60870-5-2 112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

0x3D65 240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

CRC- 16/TELEDISK 0xA097 48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

MODBUS RTU 0x8005 48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

48 0 0 0 0 0 0 48 47 92

XMODEM,ZMODEM 0x1021 112 0 0 0 0 0 0 112 111 220

240 0 0 0 0 0 0 240 239 476

Из таблицы 8 видно, что все алгоритмы обнаруживают любые пакетные ошибки с длиной пакета до 16 включительно. При этом все алгоритмы не будут обнаруживать одинаковое количество ошибок при одинаковой кратности искажений и одинаковой длине блока данных.

Проведем исследование протокола MODBUS RTU при длине пакета ошибок больше 16 и размере блока данных 48 бит. Экспериментально зафиксированы следующие количества необнаруживаемых ошибок: для b=17 - количество ошибок = 48; для b=18 - количество ошибок = 47 или (48 - 1)*1 или (48 - 1)*20; для b=19 - количество ошибок = 92 или (48 - 2)*2 или (48 - 2)*21; для b=20 - количество ошибок = 180 или (48 - 3)*4 или (48 - 3)*22; для b=21 - количество ошибок = 352 или (48 - 4)*8 или (48 - 4)*23; для b=22 - количество ошибок = 688 или (48 - 5)*16 или (48 - 5)*24; для b=23 - количество ошибок = 1344 или (48 - 6)*32 или (48 - 6)*25;

для b=24 - количество ошибок = 2624 или (48 - 7)*64 или (48 - 7)*26;

Таким образом, можно увидеть зависимость количества необнаруживаемых ошибок от длины пакета ошибок.

E = (пинф - s) • 2s-1 (1)

где:

E - количество необнаруживаемых ошибок; Пинф - размер блока данных;

s = b - k -1,

где:

b - длина пакета ошибок, k - максимальная степень полинома, для MODBUS RTU k=16.

Формула (1) справедлива для b>(k+2).

При рассмотрении пакетных искажений нужно учитывать порядок поступления бит в канал связи. Байты могут передаваться по каналу старшим битом вперед или младшим битом вперед. Например, устройства UART персональных ЭВМ передают данные младшим битом вперед. Соответственно, если кадр сообщения будет искажен пакетом ошибок длиной n, то применяя реверсивный алгоритм, мы обнаружим все пакетные ошибки длиной до 16,

а применяя нереверсивный алгоритм, некоторые пакетные ошибки будут не обнаружены.

Таким образом, для того чтобы алгоритм обнаруживал пакетные ошибки длиной до 16 включительно, нужно учитывать, каким образом аппаратура помещает данные в канал связи и, если первыми передаютя младшие биты, использовать реверсивный алгоритм, иначе - нереверсивный.

Выводы

Существует несколько алгоритмов расчета контрольной суммы для блока передаваемых данных. Рассмотрены алгоритмы расчета контрольной суммы, использующие полином с максимальной степенью 16.

Исследования показали, что:

1. Предлагаемый подход позволяет достаточно точно оценить вероятность ошибочного приема сообщения, если известны характеристики канала связи и параметры кодового слова, применяемого в протоколе передачи данных.

2. Число необнаруживаемых ошибок значительно зависит от выбранного полинома.

3. Кодовые расстояния, а значит и количество необнаруживаемых ошибок для блока данных определенной длины могут отличаться, в зависимости от выбранного полинома. Увеличение кодового расстояния существенно уменьшает вероятность ошибочного приема сообщения.

4. Размер блока данных влияет на кодовое расстояние, которое может обеспечить выбранный полином. Увеличение размера блока данных сверх определенной границы может резко снизить защитные свойства контрольной суммы.

5. Многократный поиск необнаруживае-мых ошибок для блоков одинаковой длины, но с различным содержимым, выдавал одни и те же количества ошибок, что позволяет предположить - число необнаруживаемых ошибок при использовании контрольной суммы CRC не зависит от содержимого блока данных.

6. Кроме обнаружения случайных, независимых ошибок в сообщении, алгоритмы, использующие полиномы со старшей степенью 16, обладают способностью обнаруживать пакетные ошибки с длиной пакета ошибок до 16 включительно. Однако необходимо учитывать, каким образом передающая аппаратура помещает данные в канал связи. Если данные передаются младшим битом вперед, то используют

реверсивные алгоритмы, если старшим битом вперед - нереверсивные.

7. Исследование характера ошибок в канале связи, а именно, как часто происходят па-

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Митюшкин К. Г. Телеконтроль и телеуправление в энергосистемах / К.Г. Митюшкин. М. : Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

2. Wikipedia - свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://гu.wikipedia.oгg/wiki/Циклический избыточны й код

3. Параметры CRC алгоритмов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://regregex.bbcmicro.net/crc-catalogue.htm

4. ГОСТ МЭК 870-5-1-95 «Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 1. Форматы передаваемых кадров». М.:ИПК Издательство стандартов, 1995г.

5. Ross N. Williams Элементарное руководство по CRC_алгоритмам обнаружения ошибок (пер. с анг.), 1993г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ross.net/crc/download/crc v3.txt

Поступила в печать 01.12.2012.

кетные ошибки и какова средняя длина пакета ошибок, позволит оценить насколько применяемый алгоритм будет устойчив к ошибкам.

REFERENCES

1. Mityushkin K. G. Telekontrol' i teleupravlenie v energosistemakh [Telecontrol and remote control in power systems]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990. 288 p.

2. Wikipedia - svobodnaya entsiklopediya (Wikipedia - the free encyclopedia). Available at: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Циклический избыточный код.

3. Parametry CRC algoritmov (Parameters ACS algorithms). Available at: http://regregex.bbcmicro.net/crc-catalogue.htm

4. GOST MEK 870-5-1-95 Ustroystva i sistemy telemekhaniki. Chast' 5. Protokoly peredachi. Razdel 1. Formaty peredavaemykh kadrov [State standard 870-51-95 Equipment and systems. Part 5: Transmission protocols. Section 1. The formats of transmitted frames]. Moscow, Izdatelstvo standartov Publ., 1995.

5. Ross N. Williams Elementarnoe rukovodstvo po CRC_algoritmam obnaruzheniya oshibok (An elementary guide to CRC error detection algorithms). Available at: http://www.ross.net/crc/download/crc v3.txt

Внутренний рецензент Сиченко В. Г. Внешний рецензент Сокол С. I.

Экспериментально исследованы алгоритмы расчета контрольной суммы (CRC-16), используемые в протоколах передачи данных. Сделана оценка класса достоверности и проведено сравнение алгоритмов расчета контрольной суммы в кодовом формате протоколов IEC 60870 и протоколе MODBUS RTU. Разработана программа для проведения исследований.

Ключевые слова: АРМ участкового энергодиспетчера, телемеханическая функция, протокол передачи данных, контрольная сумма.

УДК 621.331.3

Ю. А. БЛеДНИЙ, Д. В. ВОЙТИКОВ, В. В. 1ВАНОВ (В1НК)

Науково-виробнича фiрма систем автоматизацп та управлшня «В1НК», м. Днтропетровськ, ел. пошта: [email protected]

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ П1ДХ1Д ПРИ ОЦ1НЦ1 КЛАСУ ДОСТОВ1РНОСТ1 ПРОТОКОЛУ ПЕРЕДАЧ1 ДАНИХ ДЛЯ ТЕЛЕМЕХАН1ЧНИХ ФУНКЦ1Й

Експериментально дослщжеш алгоритми розрахунку контрольно! суми ( CRC-16), використовуваш в протоколах передачi даних. Зроблено оцшку класу вiрогiдностi й проведене порiвняння алгоритмiв розрахунку контрольно! суми в кодовому формам протоколiв IEC 60870 i протоколi MODBUS RTU. Розроблено програму для проведення дослщжень.

Ключовi слова: АРМ дтьничного енергодиспетчера, телемехашчна функшя, протокол передачi даних, контрольна сума.

Внутршнш рецензент Сиченко В. Г. Зовшшнш рецензент Сокол Е. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

UDC 621.331.3

YU. A. BLEDNYY, D. V. VOYTIKOV, V. V. IVANOV (DNURT)

Scientific Industrial Firm of automation and control systems "VIC", Dnepropetrovsk, e-mail: [email protected]

EXPERIMENTAL APPROACH IN ASSESSING CLASS RELIABILITY DATA TRANSMISSION PROTOCOLS FOR TELECONTROL FUNCTIONS

Algorithms of calculation of the control sum (CRC-16), used in data transfer protocols are experimentally investigated. The estimation of a class of reliability is made and comparison a control sum calculation algorithms in a code format of protocols IEC 60870 and protocol MODBUS RTU is spent. The program for carrying out of researches is developed.

Keywords: Power dispatcher automated workplace district, telemechanical function, data transfer protocol, checksum.

Internal reviewer Sychenko V. G. External reviewer Sokol Ye. I.

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ю А. Бледный, Д В. Войтиков, В В. Иванов

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Ю А. Бледный, Д В. Войтиков, В В. Иванов

EXPERIMENTAL APPROACH IN ASSESSING CLASS RELIABILITY DATA TRANSMISSION PROTOCOLS FOR TELECONTROL FUNCTIONS

Текст научной работы на тему «Экспериментальный подход при оценке класса достоверности протоколов передачи данных для телемеханических функций»