用于经由单向通信单元以纠错的方式传输数据记录的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于经由单向通信单元以纠错的方式将数据记录从第一网络（诸如安全关键工业网络）传输到第二网络（诸如诊断网络或办公网络）的方法和系统，其中第二网络中的接收设备尤其是仅仅具有受限制的计算和主存储容量。

背景技术

工业数据和通信网络由于安全规定尤其是可以实现为隔离网络，也就是说通常不允许和/或不可能向网络中传递数据。此外，安全关键网络通常不与开放网络、诸如不与办公网络或互联网连接。

但是，像例如中央状态监控系统或错误分析之类的应用情况要求可以将系统的数据从封闭网络传输给开放网络。在此，数据传递通常严格单向地进行，也就是说数据仅仅能够从封闭网络被传输到另一网络中。例如，借助于数据二极管可以实现在仅一个方向上的信息流，其中在此数据传递通常相对于在通信路径上的数据丢失是不稳健的。

经由单向网络路径的数据传输典型地借助于用户数据报协议（User DatagramProtocol，简称UDP）进行，所述用户数据报协议在协议层上不提供纠错，也就是说接收组件不能向发射组件传送关于所接收的网络分组的状态的反馈。为了数据传递路径的保障和纠正，经常使用前向纠错方法（Forward Error Correction, FEC），所述前向纠错方法有针对性地嵌入（einbauen）冗余度，用以例如补偿不完全的数据传递。然而由此增大传递量，并且已知的前向纠错方法通常要求所获得的编码数据可以被保持在接收设备的主存储器中直至解码为止。这尤其是对于具有受限制的计算和主存储容量的设备（也称为（资源）受限设备（（Resource） Constrained Device））是问题。

发明内容

因此，本发明的任务是使得能够向具有受限制的计算和主存储容量的设备进行单向数据传递，所述单向数据传递利用前向纠错方法来保障。

该任务通过具有专利权利要求1的特征的方法、系统、计算机程序产品和数据载体来解决。本发明的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中予以说明。

本发明的第一方面涉及一种用于经由单向通信单元以纠错的方式将数据记录从第一网络传输到第二网络中的方法，该方法具有以下方法步骤：

-在第一网络中将数据记录划分成子数据记录，其中子数据记录分别包括至少一个字符，

-通过向子数据记录中的每一个添加至少一个纠正字符来对子数据记录进行编码，

-经由单向通信单元将编码子数据记录的字符和纠正字符从第一网络传输给第二网络中的接收单元，

-在第二网络中接收编码子数据记录的字符和纠正字符，

-对编码子数据记录进行编码，其中

a）将分配给第一编码子数据记录的字符和纠正字符存储在主存储器中，

b）将分配给其他编码子数据记录的字符和纠正字符中间存储在后台存储器中，并且

c）对第一编码子数据记录进行解码，并且然后将其他编码子数据记录之一的迄今接收的字符和/或纠正字符从后台存储器移动到主存储器中，

其中对于数据记录的编码子数据记录中的每一个，迭代地实施步骤a）至c），和

-在第二网络中从解码子数据记录中重建数据记录。

结合本发明，编码尤其是可以被理解为差错编码（Fehlerkodierung）。借助于差错编码，在字符的不完全传输的情况下，仍然可以根据可以分别分配给数据记录的字符中的至少一个字符的纠正字符或者可以分配给子数据记录的字符之一的纠正字符实施解码。数据记录尤其是可以被划分成至少一个子数据记录。纠正字符也可以称为冗余度。尤其是当已经接收了对于解码足够的一定数量的字符和/或纠正字符时，可以对子数据记录进行解码。一旦所有子数据记录以解码的方式存在，就可以在第二网络中重建该数据记录。

第一网络尤其是可以被理解为安全关键网络、诸如工业网络，并且第二网络尤其是可以被理解为开放网络。尤其是，划分成编码子数据记录的数据记录经由单向通信单元从第一网络被传送到第二网络中。单向通信单元保证无反作用性。

根据本发明的方法尤其是可以实现到具有受限制的主存储和计算容量的设备、诸如工业网络中的组件的单向数据传递，其中数据以编码的方式被传送。数据记录可以逐步地作为单独的经差错编码的子数据记录被传送到第二网络中，并且在那里迭代地被解码。第一编码子数据记录不必一定是数据记录的第一部分，而是可以是来自数据记录的该数量的子数据记录中的第一子数据记录。可以添加任意多个纠正字符用于纠错。尤其是，可以任意地选择数据记录被划分成的子数据记录的数目。

此外，本发明的优点是，仅仅子数据记录之一的字符和/或纠正字符被保持在主存储器中并且在那里被解码。其他子数据记录的字符和/或纠正字符在接收之后被中间存储在后台存储器上。因此，例如具有受限制的存储空间的接收设备的主存储器中的解码可以尤其是逐步地进行。一旦例如一个子数据记录在主存储器中可以被解码，就可以将另一子数据记录的字符和/或纠正字符从后台存储器交换到主存储器中。根据主存储器的存储和计算容量也可能的是，在主存储器中可以存储和解码多个一个的第一编码子数据记录。

在该方法的一种有利的实施方式中，编码子数据记录的字符和纠正字符可以分别单独地和/或按任意顺序和/或与向编码子数据记录之一的分配无关地被传送。

数据记录经由单向通信单元的传输尤其是可以经由UDP进行，并且与顺序或分配无关地进行。在此，有利的是，在接收器侧的解码与字符和/或纠正字符的传输顺序或向数据记录的分配无关。

在该方法的一种有利的实施方式中，一旦

-对于存储在主存储器中的第一编码子数据记录，在主存储器中存在对于解码完全数量的字符和/或纠正字符，或者

-对于第二编码子数据记录，存在比对于第一编码子数据记录更大数量的字符和/或纠正字符，就可以将分配给第二编码子数据记录的字符和/或纠正字符从后台存储器移动到主存储器中，其中第一编码子数据记录的迄今接收的字符和/或纠正字符被移动到后台存储器中。

有利的是，对于每个子数据记录根据所接收的字符和/或纠正字符的数量来进行对子数据记录的迭代解码。因此，尤其是，对其而言存在、也即已经接收了最大数量的字符和/或纠正字符的该子数据记录被存储在主存储器中，并且然后首先被解码。尤其是，还可以通过概率计算根据子数据记录的字符和/或纠正字符的顺序和/或速率来确定选择：对于哪个子数据记录将所接收的字符和/或纠正字符存储在主存储器中。一旦对于一个编码子数据记录存在对于解码需要的数量的字符和/或纠正字符，就可以对该编码子数据记录进行解码。随后，可以将另一第二编码子数据记录的字符和/或纠正字符从后台存储器移动到主存储器中。可替代地，如果例如对此存在更多的字符和/或纠正字符，则可以将编码子数据记录的一定数量的字符和/或纠正字符从后台存储器移动到主存储器中，并且从而与对于主存储器中的子数据记录相比有可能更快速地对该子数据记录进行解码。因此，子数据记录的字符和/或纠正字符可以从主存储器被移动到后台存储器中，并且反之亦然。由于可以将子数据记录的对于解码不需要的字符和/或纠正字符在接收之后移动到后台存储器中，因此可以实现高效的解码和存储器管理。

在该方法的一种有利的实施方式中，可以借助于管理单元管理第二网络中的所接收的字符和/或纠正字符，并且因此可以确定对于编码子数据记录将哪些字符和/或纠正字符存储在主存储器中。

借助于管理单元、尤其是表格，在第二网络中的设备上所接收的字符和/或纠正字符可以被管理，也即尤其是被排序并且分配给子数据记录。管理单元尤其是包括关于字符和/或纠正字符的信息，例如接收时间、顺序和向相应子数据记录的分配。

在该方法的一种有利的实施方式中，可以借助于管理单元来确定对于其存在最大数量的所接收的字符和/或纠正字符的该编码子数据记录，并且将该编码子数据记录的所接收的字符和/或纠正字符存放在主存储器中。

根据在管理单元、例如表格中存储的信息、诸如编码子数据记录的所接收的字符和/或纠正字符的数目，可以确定对于哪个编码子数据记录存在完全或几乎完全数量的字符和/或纠正字符用于解码。该子数据记录的字符和/或纠正字符优选地被保持在主存储器中。例如，在表格中，索引对于保持在主存储器中的编码子数据记录可以说明所接收的字符和/或纠正字符的数目。

在该方法的一种有利的实施方式中，可以借助于管理单元确定编码子数据记录的所接收的字符和/或纠正字符的数量，并且可以从所确定的数量中确定用于编码子数据记录的解码的完全性。

根据存储在管理单元中的信息，尤其是可以确定在第二网络中是否对于编码子数据记录已经接收了足够数量的字符和/或纠正字符应用于解码。

在该方法的一种有利的实施方式中，当在第二网络中接收字符和/或纠正字符时，可以更新管理单元的信息。

优选地，在接收其他字符和/或纠正字符时，在接收侧更新管理单元，其中尤其是向子数据记录进行分配。例如，表格的索引可以相应地被递增。

在该方法的一种有利的实施方式中，在第一网络中通过预给定的前向纠错方法对子数据记录进行编码。

在该方法的一种有利的实施方式中，根据预给定的前向纠错方法在第二网络中对子数据记录进行解码。

也称为“Forward Error Correction（前向纠错）”、简称FEC的前向纠错方法可以尤其是预给定多个纠正字符、例如重构数据。用于前向纠错的方法尤其是网格编码（Trellis-Codierung）和里德所罗门码（Reed-Solomon-Code）。

本发明的另一方面涉及一种用于经由单向通信单元以纠错方法将数据记录从第一网络传输到第二网络中的系统，包括：

-划分单元，其被构造用于在第一网络中将数据记录划分成子数据记录，其中子数据记录分别包括至少一个字符，

-第一网络中的编码单元，其被构造用于通过向子数据记录中的每个子数据记录添加至少一个纠正字符来对子数据记录进行编码，

-单向通信单元，其被构造用于将编码子数据记录的字符和纠正字符从第一网络传输到第二网络中的接收单元，

-第二网络中的接收单元，其被构造用于接收编码子数据记录的字符和纠正字符，其中所述接收单元包括主存储器、后台存储器和用于对编码子数据记录进行解码的解码单元，其中

a）将分配给第一编码子数据记录的字符和纠正字符存储在主存储器中，

b）将分配给其他编码子数据记录的字符和纠正字符中间存储在后台存储器中，

c）对第一编码子数据记录进行解码，并且然后将其他编码子数据记录之一的迄今接收的字符和/或纠正字符从后台存储器移动到主存储器中，

其中，对于数据记录的编码子数据记录中的每一个迭代地实施步骤a）至c），和

-重建单元，其被构造用于在第二网络中从解码子数据记录中重建数据记录。

用于将数据记录划分成子数据记录的划分单元和编码单元尤其是在第一网络中集成在设备中或与该设备耦合。解码单元、主存储器、后台存储器和重建单元例如可以彼此耦合，其中尤其是解码单元、主存储器和后台存储器可以集成在接收单元中。主存储器和/或后台存储器也可以被构造为解码单元的一部分。接收单元、解码单元、主存储器、后台存储器和重建单元尤其可以是第二网络中的设备的一部分，其中该设备仅具有受限制的计算和主存储容量。

在一种有利的实施方式中，该系统包括用于在第二网络中管理所接收的字符和/或纠正字符的管理单元。

管理单元尤其是可以被构造为在接收单元或主存储器中的表格并且与解码单元耦合或存储在该解码单元中。

本发明此外涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品可以直接被加载到可编程计算机中，所述计算机程序产品包括适用于实施根据本发明的方法的步骤的程序代码部分以及存储计算机程序产品的数据载体。

附图说明

根据本发明的方法和系统的实施例在附图中示例性地示出，并且根据以下描述更详细地被阐述。其中：

图1示出根据本发明的方法的流程图；

图2示出根据本发明的方法的示意图；和

图3示出根据本发明的系统的示意图。

在所有图中，彼此相应的对象配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1以示意图示出用于经由单向通信单元以纠错的方式将数据记录从第一网络传输到第二网络中的根据本发明的方法的步骤。按照根据本发明的方法的数据传递尤其是无反作用的，即仅单向地从第一网络向第二网络中进行数据传输。在接收侧尤其是可以使用具有受限制的主存储器的设备、诸如现场设备。

在步骤1中，在第一网络、诸如工业设备的安全关键网络中的设备上检测数据记录并且将其划分成子数据记录。例如这涉及测量数据，所述测量数据应该被传送到第二网络、诸如诊断网络中用于诊断。基于安全性预设，经由单向的并且因此无反作用的通信单元从第一网络向第二网络中进行数据传递。为了发射数据记录，将数据记录划分成单独的子数据记录，并且借助于UDP进行传输。在此，子数据记录包括数据记录的至少一个字符。

在步骤2中，子数据记录被编码、尤其是差错编码。为此，至少一个纠正字符被添加给每个子数据记录，其中纠正字符尤其是与相应的子数据记录的字符相同和/或能够借助于概率计算被确定。因此，根据预给定的前向纠错方法来嵌入冗余度。这例如当在传输期间发生数据丢失时能够实现：在接收侧完全重建所传输的数据记录是可能的。因此，从接收组件到发射器组件的反馈是不必要的。

在步骤3中，编码子数据记录经由单向通信单元被传输，也即从第一网络中的设备的发射单元向第二网络中的接收单元传送。传送尤其是借助于用户数据报协议（简称UDP）进行。在此，各个子数据记录的字符和/或纠正字符经由单向通信单元以单独的数据分组并且按任意的顺序被传送。

在步骤4中，字符和/或纠正字符由第二网络中的接收单元接收。例如，所述字符和/或纠正字符在那里以无序的顺序存在。可以借助于管理单元、尤其是表格来管理接收时间、所接收的字符和/或纠正字符的顺序以及其向子数据记录之一的分配。根据表格尤其是可以确定第一子数据记录，对于所述第一子数据记录，在接收单元的主存储器中存储字符和/或纠正字符。其他子数据记录的字符和/或纠正字符可以借助于表格被管理，并且被中间存储在后台存储器中。

在步骤5中，对所接收的编码子数据记录进行解码。为此，必须存在子数据记录的足够数目的字符和/或纠正字符。尤其是，如果例如已经接收了足够的纠正字符用于解码，则不必必然存在子数据记录的完全数量的字符。所接收的字符和/或纠正字符首先根据其向子数据记录的分配要么被存储在主存储器上要么被存储在后台存储器上。例如，第一子数据记录的字符和/或纠正字符被存储在主存储器中，而其他子数据记录的字符和/或纠正字符被存储在后台存储器中。一旦存在第一编码子数据记录完全用于在主存储器中进行解码，就对所述第一编码子数据记录进行解码。然后，将其他编码子数据记录之一的字符和/或纠正字符从后台存储器移动到主存储器中。一直迭代地执行该行动，直至所有子数据记录以解码的方式存在于接收单元中为止，使得在步骤6中可以从中重建所传递的数据记录。然后可以在第二网络中进一步处理或使用该数据记录。

图2示意性地示出根据本发明的方法的流程。示出了第一网络NW1和第二网络NW2，所述第一网络和第二网络通过单向通信单元UC连接，也就是说仅能够进行从第一网络NW1向第二网络NW2中的数据传递。根据本发明，借助于数据记录D的差错编码来进行数据记录D的数据传输，使得可以补偿在传输时可能的数据丢失。

在第一网络NW1中，为了传送到第二网络NW2中，数据记录D被划分成子数据记录A、B、C，所述子数据记录分别由字符A1、A2、A3、...、C3组成。子数据记录和字符的数目（其中在这里示例性地示出了三个子数据记录A、B、C）可以任意地选择或改变，也即尤其是不必等于3，并且与预给定的前向纠错方法、传递速率和/或数据分组大小有关。在编码单元COD中对子数据记录进行编码。为此，将至少一个纠正字符A'、B'、C'添加给每个子数据记录。因此，编码数据记录包括编码子数据记录A_COD、B_COD、C_COD。编码子数据记录的数目与子数据记录的数目有关并且在这里仅示例性地用三来说明。

编码子数据记录A_COD、B_COD、C_COD经由单向通信单元UC被传输到第二网络NW2中。通过UDP进行传输，在此，根据网络分组的大小，字符和/或纠正字符作为数据分组被传递。字符和/或纠正字符的传输与其顺序和/或向子数据记录的分配无关地进行。尤其是，通常不对于每个子数据记录进行传输，使得字符和/或纠正字符在接收器侧可能无序地存在。

根据本发明，字符和/或纠正字符被存储在主存储器S1上或后台存储器S2上，所述主存储器S1或后台存储器S2可以分别是解码单元DEC的一部分。主存储器S1和后台存储器S2也可以与解码单元耦合或以集成到该解码单元中的方式构成，如图3中示例性示出的那样。例如，第一子数据记录A_COD的字符和/或纠正字符A1、A2、A'被存储在主存储器中。尤其是，确定第一编码子数据记录A_COD，对于所述第一编码子数据记录A_COD存在最大数量的所接收的字符和/或纠正字符，并且对于所述第一编码子数据记录A_COD其他所接收的字符和/或纠正字符被存储在主存储器中。在此期间，其他编码子数据记录B_COD、C_COD的所接收的字符和/或编码纠正字符B1、B'、C3被中间存储在后台存储器中。

为了在第二网络NW2中进行解码，根据预给定的纠错方法必须存在子数据记录A_COD、B_COD、C_COD的足够的字符和/或纠正字符。一旦第一子数据记录A_COD可以被解码，或者一旦对于其他子数据记录B_COD、C_COD在后台存储器中存在更多的字符和/或纠正字符，就可以在主存储器S1和后台存储器S2之间交换字符和/或纠正字符。所接收的字符和/或纠正字符的管理可以借助于管理单元、诸如表格来进行。根据表格可以高效地确定何时可以在主存储器和后台存储器S1、S2之间进行字符和/或纠正字符的交换。

一旦存在所有编码子数据记录A_COD、B_COD、C_COD完全用于解码，就对所述编码子数据记录进行解码，并且可以从这些解码子数据记录A_DEC、B_DEC、C_DEC中重建数据记录D。

图3示例性地示出用于经由单向通信单元以纠错的方式将数据记录从第一网络传输到第二网络中的根据本发明的系统。

第一网络NW1可以例如是安全关键工业网络，并且第二网络NW2可以例如是开放办公网络。网络NW1和NW2仅经由单向式（Einweg）通信单元UC彼此连接。

系统在第一网络NW1中包括用于将数据记录划分成子数据记录的划分单元E1和用于通过向子数据记录中的每一个添加至少一个纠正字符来对子数据记录进行编码的编码单元COD。此外，该系统可以包括第一网络NW1中的发射单元S，所述发射单元S例如与划分单元E1和/或编码单元COD耦合或集成到所述划分单元E1和/或编码单元COD中，并且将数据记录发射给第二网络NW2中的接收单元E2。例如，发射单元S、划分单元E1和编码单元COD是第一网络NW1中的设备的一部分。

该系统包括用于无反作用地将编码子数据记录从第一网络NW1传输到第二网络NW2中的单向通信单元UC。在第二网络NW2的接收器侧，该系统包括接收单元E2和重建单元E3。接收单元E2和重建单元E3尤其是可以是设备CD的一部分。接收单元E2尤其是包括用于对所接收的编码子数据记录进行解码的解码单元DEC、主存储器S1、后台存储器S2和表格T。主存储器S1尤其是可以具有受限制的存储和计算容量。解码单元DEC、主存储器S1、后台存储器S2和管理单元T可以优选地彼此耦合。尤其是，管理单元T也可以是主存储器S1的一部分（未示出）。管理单元T可以被理解为表格。根据管理单元T，尤其是管理字符和/或纠正字符在主存储器S1和后台存储器S2之间的交换和存储。重建单元E3再次从解码子数据记录中建立所传递的数据记录，并且提供该数据记录用于在第二网络NW中进一步处理。

该系统的单元尤其是可以分别包括至少一个执行功能的处理器。该系统此外可以包括处理器，在所述处理器上可以运行包括程序代码部分的根据本发明的计算机程序产品，用以以计算机辅助的方式实施根据本发明的方法的步骤。

在本发明的范围内，所描述和/或绘制的所有特征可以有利地被彼此组合。本发明不局限于所描述的实施例。