28-9月-231第二章遠動系統(tǒng)技術基礎2.3

差錯控制與電碼結構228-9月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.1

差錯控制遠動系統(tǒng)要完成各種數字信號的遠距離傳輸。為保證各種命令的正確執(zhí)行和各種表示信息的準確無誤，我們要求數字信息的傳輸系統(tǒng)都達到無誤傳輸。但是，數據在信道中傳輸不可避免地要受到各種干擾，從而造成傳輸差錯。不論何種干擾引起的錯誤，不外?兩種形式：一是隨機錯誤，另一種是突發(fā)錯誤。隨機錯誤即數據系列中前后碼元之間是否發(fā)生錯誤彼此無關，產生這些錯誤的信道稱之為無記憶信道或隨機信道。2.3

差錯控制與電碼結構328-9月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.1

差錯控制突發(fā)錯誤即一個錯誤的出現往往影響后面數據的錯誤，錯誤之間有相關性，發(fā)生這種突發(fā)錯誤的信道稱之為記憶信道或突發(fā)信道。由于實際信道的復雜性，所呈現出的錯誤往往不是單純的一種，而是隨機和突發(fā)錯誤并存，只不過有的信道以某種錯誤為主罷了。為了降低誤碼率，可以采用兩條途徑：采用新的傳輸系統(tǒng)和使用差錯控制技術。前者受各方面因素的限制，不易實現，主要是采用后者來實現。2.3

差錯控制與電碼結構402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.1

差錯控制差錯控制的基本思想是通過對信息序列作某種變換（變換方法不同，也就構成不同的差錯控制碼），使原來彼此獨立、相關性極小的信息碼元，經變換后，產生某種相關性，從而在接收端有可能根據這些相關的規(guī)律性來檢查識別，進而糾正信息序列在信道中傳輸時所造成的差錯。為實現這種相關性，在發(fā)送端用信道編碼器在信息元后面增加一些碼元，叫監(jiān)督（或校驗）碼元。信道編碼器就是抗干擾編碼器。不同的差錯控制編碼方法有不同的檢錯、糾錯能力。常見的檢糾錯碼有奇偶校驗碼、水平一致監(jiān)督碼、水平垂直一致監(jiān)督碼、群計數碼、等比碼、線性分組碼等。2.3

差錯控制與電碼結構502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.1

差錯控制為了克服通信系統(tǒng)中差錯的有害影響，除了要選擇適當的碼型外，還必須從整體出發(fā)，考慮如何控制這些差錯。在數據傳輸系統(tǒng)中，差錯控制方式主要有四種：

前向糾錯方式（FEC）

檢錯重發(fā)方式也稱自動回詢重傳方式（ARQ）

混合糾錯方式（HEC）

反饋重發(fā)方式即信息反饋方式（IRQ）2.3

差錯控制與電碼結構2.3.1

差錯控制FEC1．前向糾錯（FEC）：前向糾錯方式FEC（Forward

Error

Correction）是在發(fā)送端將數據信息按一定的規(guī)則附加余碼元，組成糾錯碼。602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系ARQ2．自動回詢重傳（ARQ）：這種方式又可稱為檢錯重傳、判決反饋或反饋糾錯，記作ARQ（Automatic

Repeat

Request）。2.3

差錯控制與電碼結構2.3.1

差錯控制HEC3．混合差錯控制方式（HEC）：如果將FEC和ARQ適當結合起來，就能克服各自的缺點，這就是混合差錯控制方式，也稱混合糾錯方式HEC（Hybrid

ErrorCorrection）。702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系IRQ4．信息反饋（IRQ）：也就是信息重傳請求IRQ（Information

RepeatRequest），將接收到的數據原封不動地通過反饋信道送回到發(fā)送端。2.3

差錯控制與電碼結構802-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.2

電碼結構遠動系統(tǒng)實際是數據傳輸系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)的結合，其信息的傳輸是靠電碼來完成的。因此，遠動技術中一個非常重要的內容就是研究電碼，也就是電碼結構。所謂電碼就是按照一定的規(guī)律組織起來，代表一定含義的一組脈沖信號。每一個脈沖稱為電碼單元，簡稱碼元。幾個碼元組成一個碼組（碼字），而電碼就由幾個碼組來構成。整個電碼代表一定的信息內容，而每個碼組分別表達了信息內容的一部分。電碼結構前導碼同步碼校正碼信息碼902-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3

差錯控制與電碼結構2.3.2

電碼結構2.3

差錯控制與電碼結構1002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.2

電碼結構前導碼放在整個電碼的前部，它沒有任何具體的含義，由“1”和“0”信號交替或是全“1”、全“0”等組成。它是為了在接收端建立起位同步信號和克服濾波器建立時間的影響而編成的碼組，其碼元數目根據位同步和濾波器建立的時間而定。同步碼是為了建立群同步而設立的碼組，利用它提供準確的時間標準實現群同步。碼組長度和采用的類型可任意選擇。信息碼是電碼的核心部分，直接反映電碼所要代表的含義。一般它又可分為地址碼、狀態(tài)碼和信息碼三部分。校正碼（差錯控制監(jiān)督碼）根據采用的差錯控制方式，決定這部分碼元的數目。2.3

差錯控制與電碼結構1102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.2

電碼結構差錯控制編碼分類：根據編碼方式和不同的衡量標準，差錯控制編碼有多種形式和類別，主要有以下幾種分類：根據編碼功能可分為：檢錯碼（只完成檢錯功能）、糾錯碼（只完成糾錯功能）和糾刪碼（既可檢錯也可糾錯）。根據信息碼元和附加的監(jiān)督碼之間的檢驗關系可以分為線性碼（監(jiān)督碼元是信息碼元的線性組合）和非線性碼（兩者不存在線性關系）。2.3

差錯控制與電碼結構1202-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.3.2

電碼結構按信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式可分為分組碼和卷積碼。分組碼中所有碼組的信息碼元在編碼前后保持原來形式的碼叫系統(tǒng)碼，反之是非系統(tǒng)碼。糾正隨機錯誤碼和糾正突發(fā)錯誤碼。前者糾正信道中出現的隨機獨立干擾引起的誤碼，后者主要糾正信道中出現的突發(fā)錯誤。2.3

差錯控制與電碼結構2.3.2

電碼結構常用的檢錯碼有奇偶監(jiān)督碼、行列監(jiān)督碼、群計數碼、恒比碼等。常用的線性分組碼主要有漢明碼、循環(huán)碼。漢明碼是一種高效率的糾單個錯誤的線性分組碼。循環(huán)碼是一種重要的線性分組碼。這種碼的編碼和解碼設備都不太復雜，且有較強的檢（糾）錯能力。循環(huán)碼具有循環(huán)性，即碼中任一碼組循環(huán)一位以后，仍為該碼中的一個碼組。鐵路信號遠動系統(tǒng)中最常用的檢糾錯編碼為CRC（循環(huán)冗余校驗）和BCH碼。這兩種碼字都是線性分組碼，即信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關系為線性關系。CRC碼和BCH碼是線性分組碼中的循環(huán)碼，13

是目前研究的最成熟的一類碼。02-10月-23

西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.1

網絡傳輸介質雙絞線1402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系屏蔽雙絞線雙絞線水晶頭2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.1

網絡傳輸介質大對數電纜鐵路信號電纜1502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.1

網絡傳輸介質光纖1602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.1

網絡傳輸介質跳線和光纖收發(fā)器1702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系02-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系182.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.1

網絡傳輸介質同軸電纜同軸電纜連接器2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.2

服務器服務器1902-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.3

工作站工作站2002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.4

路由器路由器2102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.4

路由器路由器2202-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.5

交換機交換機2302-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4

通信網絡的主要硬件設備網橋2402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.4.6

網橋通大學峨眉校區(qū)計算機系02-10月-23

2525

西南交無線覆蓋系統(tǒng)解決方案2.4

通信網絡的主要硬件設備2.4.7

網關（協(xié)議轉換器）網關2602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.5

遠動系統(tǒng)的網絡體系結構2702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系ISO的OSI參考模型IEEE

802

LAN協(xié)議標準TCP/IP協(xié)議X．25協(xié)議2.5

遠動系統(tǒng)的網絡體系結構2802-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系X.25網的設備分組交換網主要由分組交換機、用戶接入設備和傳輸線路組成。

X.25

是一個對公用分組交換網（

Public

Data Network

，PDN）接口的規(guī)格說明。網絡內部由各個網絡自己決定。X.25

網僅說明該網絡與網絡外部數據終端設備（

DataTerminal

Equipment

，

DTE

）的接口應遵循

X.25

標準。是以虛電路服務為基礎的。X.25建議是作為公用數據網的用戶-網絡接口協(xié)議提出的,它的全稱是“公用數據網絡中通過專用電路連接的分組式數據終端設備(DTE)和數據電路終接設備(DCE)之間的接口”。2.5

遠動系統(tǒng)的網絡體系結構X.25協(xié)議的應用環(huán)境2902-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.6

通信總線和現場總線3002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系總線的概念總線是一組公用信號線的集合，通過這一組公用信號線把計算機或計算機測控系統(tǒng)中的各個模板以及各種設備連接成一個整體，以便彼此進行信息交換。總線標準總線規(guī)約在得到某一標準化組織的批準或推薦后，即成為某種總線標準?？梢?，總線是一組標準化了的信息通路。通過該信息通路，使得連接在總線上的各個模塊之間能夠相互傳遞信息。2.6

通信總線和現場總線與自動控制裝置之間。3102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系總線分類總線按功能和規(guī)模分類一般分為三類：系統(tǒng)總線、通信總線和現場總線。系統(tǒng)總線也稱內總線、板級總線，用于計算機各種模板插件之間的信息傳送。通信總線也稱外總線，用于系統(tǒng)間的通信?，F場總線是一種開放式實時系統(tǒng)，具有簡化型的網絡結構。是一種串行數字通信鏈路，它處于現場與安裝在生產控制室02-10月-23

3232

西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.6

通信總線和現場總線系統(tǒng)總線2.6

通信總線和現場總線3302-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用通信總線通信總線分為并行通信總線和串行通信總線兩類。并行通信總線在通信傳送過程中，每次同時發(fā)送一個數據字節(jié)，傳輸速度高，適用于短距離（數十米）快速傳輸。串行通信總線在通信過程中，每次傳送一個比特信息，所以傳輸速度低，但使用的導線數量少，成本低，適用于較遠距離的傳輸。2.6

通信總線和現場總線3402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用現場總線CAN總線Lonworks

總線高速以太網現場總線2.6

通信總線和現場總線3502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用現場總線CAN（Controller

Area

Network）是ISO的串行通信協(xié)

議。CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。CAN在汽車領域上的應用是最廣泛的,世界上一些著名的汽車制造廠商,如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數據通信。2.6

通信總線和現場總線常用現場總線3602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.6

通信總線和現場總線3702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用現場總線CAN總線的特點CAN總線是德國BOSCH（博世1886年創(chuàng)建）公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交

換而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線，通

信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達

1Mbps。CAN

總線通信接口中集成了CAN

協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據

塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。2.6

通信總線和現場總線3802-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用現場總線CAN

協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。CAN

總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線結構簡單，只有2根線與外部相連。2.6

通信總線和現場總線3902-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用現場總線Lonworks

總線Lonworks是由美國Echelon(美國埃施朗)公司于1991年推出的現場總線，它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，這是在現場總線中唯一提供全部服務的現場總線，又稱局部操作網。在一個Lonworks

控制網絡中，智能控制設備(節(jié)點)使用同一個通信協(xié)議與網絡中的其它節(jié)點通信。每個節(jié)點都包含內

置的智能來完成協(xié)議的監(jiān)控功能。一個Lonworks控制網絡可

以有3個到30000個或更多的節(jié)點：傳感器功能(溫度、壓力等)、執(zhí)行器功能(開關、調節(jié)閥、變頻驅動等)、操作接口(顯示、人

機界面等)、控制功能(新風機組、VAV等)。2.6

通信總線和現場總線4002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系常用現場總線高速以太網現場總線HSE（High

Speed

Ethernet

Fieldbus）HSE的技術特點是速度高(100Mbit/s)，數據通過量很大，與計算機連接容易，價格低。HSE有兩類用途：一類是完成由于計算量過大而不適合在現場儀表中進行的高層次模型或調度運算；第二類是作為多余

H1總線或其他網絡的網關橋路器。HSE可用五類雙絞線、RJ45插頭、最大距離100m，如用集線器或中繼器則可延長4次。也可用光纖，625/125μm多模，加SC聯接器，最大距離400m。2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術4102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系遠動系統(tǒng)的可靠性包括信息傳輸可靠性和設備的可靠性兩大部分。一般來說，遠動系統(tǒng)對可靠性的要求比一般的控制系統(tǒng)對可靠性的要求高。如鐵路信號遠動系統(tǒng)，它不僅要求系統(tǒng)要有高的實時性和具有連續(xù)不間斷工作的特點，而且，對系統(tǒng)的可靠性要求也很高。因為，無論是信息傳輸錯誤還是設備故障都將直接影響整個系統(tǒng)的正常工作。因此，提高系統(tǒng)的可靠性是進行遠動系統(tǒng)設計時必須要考慮的、重要的問題。2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術4202-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.7.1

硬件可靠性可靠性在廣義上是指系統(tǒng)或設備在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。狹義上是指系統(tǒng)或設備在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率。RAMS:這四個英文字母的首字母的縮寫Reliability(可靠性)Availability

(可用性)Maintainability(可維修性)Safety(安全性)2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術2.7.2

軟件可靠性軟件避錯技術軟件容錯技術軟件測試技術提高軟件可靠性4302-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術4402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.7.3

避錯與容錯技術目前，有兩類技術可以提高可靠性，一類是防止和減少故障發(fā)生的技術，叫避錯技術；它的基本著眼點是通過質量控制、減載使用、環(huán)境保護等措施防止故障的發(fā)生，從而延長系統(tǒng)的使用壽命。但避錯技術有其局限性，例如采用高可靠器件，費用將急劇上升，而且避錯技術的出發(fā)點在于減少故障發(fā)生的概率，即使最好的避錯技術，也不一定能滿足系統(tǒng)的可靠性要求。因此，在現代高可靠性系統(tǒng)中，廣泛采用第二類技術，是當系統(tǒng)的某一部分發(fā)生故障時仍能使系統(tǒng)保持正常工作的技術，叫容錯技術。在此主要介紹容錯技術。2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術2.7.3

避錯與容錯技術DBA硬件冗余軟件冗余C信息冗余時間冗余容錯技術4502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系容錯技術它是建立在資源冗余基礎上的。這些額外資源，相對于系統(tǒng)完成其功能所需的資源是冗余的。容錯方法主要有如下四種：硬件冗余:硬件的物理重復；信息冗余：增加信息的多余度提高可靠性；時間冗余：通過指令的重復執(zhí)行、增加重復運算的時間來達到容錯的目的。軟件冗余：通過增加程序提高軟件的可靠性；4602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系(1)硬件冗余4702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系靜態(tài)冗余（也稱被動冗余）動態(tài)冗余（也稱主動冗余）。①靜態(tài)硬件冗余指冗余結構并不隨故障情況變化的冗余形式。它應用了故障掩蔽的概念，將發(fā)生的故障掩蔽起來，防止故障造成差錯。模塊1模塊2模塊3輸入1輸入2輸入3輸出表決器圖2.17

三模冗余三模冗余（Triple

Modular

Redundancy，TMR）4802-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系采用三個相同的模塊接收三個相同的輸入，產生的三個結果送至表決器。若有一個模塊發(fā)生故障，另兩個正常模塊的輸出可將故障模塊的輸出掩蔽，從而不會出錯。圖2.18多級三重表決TMR多級三重表決TMRTMR的主要問題是表決器的故障將造成系統(tǒng)差錯。可采用三重表決輸入14902-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系輸入2輸入3輸出1模塊3

表決器模塊2

表決器

模塊2模塊3模塊1

表決器 模塊1

表決器表決器表決器輸出2輸出3N模冗余（N-Modular

Redundancy，NMR）與三模冗余原理相同，但采用n個相同的模塊，n不小于3，且n為奇數，以方便進行多數表決。NMR系統(tǒng)可以容忍(n-1)/2模塊1模塊1模塊n輸入1輸入2輸入n輸出表決器圖2.19

N模冗余…個模塊出現故障。優(yōu)點：可以容忍(n-1)/2個模塊的故障；缺點：硬件冗余量的增大使功、重量、成本及體積均增大。5002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系表決技術NMR系統(tǒng)中的表決可以在幾個點上進行。例如，一個工業(yè)控制器可通過三個獨立的傳感器對化學反應的溫度取樣，再進行一次表決以決定采用哪個傳感器的取值，然后由單個模塊計算加熱或冷卻值，最后對計算結果進行表

決。另一種方案是采樣后不進行表決，只在計算后進行一次

表決。這兩種方案的不同之處主要表現在故障的包容上。第一種方案能包容傳感器故障，而第二種方案允許傳感器故障的影響傳播至計算結果。5102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系表決技術表決器可用硬件實現，也可以用軟件實現；圖2.20所示為硬件表決器。執(zhí)行表決的時間就是表決器邏輯電路的延時。圖2.20

一位硬件表決器5202-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系或與02-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術2.7.3

避錯與容錯技術二乘53二取二軟件實現表決該系統(tǒng)實際上是根據圖2.18所示的多級三重表決（TMR）的概念應用軟件來實現表決器的實施方案。圖2.21

采用軟件表決的微機系統(tǒng)傳感器傳感器采樣器采樣器傳感器 采樣器雙口存儲器雙口存儲器雙口存儲器處理機處理機處理機雙口存儲器雙口存儲器雙口存儲器處理機處理機處理機5402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系硬件表決的優(yōu)缺點：優(yōu)點：速度快；缺點：所需附加硬件多，造成功耗、重量以及體積增大。軟件表決的優(yōu)缺點:與硬件表決相反，另外，軟件表決比較靈活，通過修改表決程序可以很方便地修改表決的方式。5502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系在實際應用中究竟采用硬件還是軟件表決要考慮如下因素：是否有現成的能進行表決的處理機；表決的速度要求是否高；系統(tǒng)功耗、重量以及體積限制是否大；對表決方法靈活性的要求是否高；所需表決器數量是否大。5602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系②動態(tài)硬件冗余通過故障檢測、故障定位及系統(tǒng)恢復來達到容錯的一種技術。這種技術不能防止故障的產生，但這類系統(tǒng)在應用中允許發(fā)生暫時的錯誤結果，只要系統(tǒng)能在規(guī)定時間內進行重組并恢復正常運行。主要有以下幾種方式：5702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系

雙機比較

備用替換

成對備用

監(jiān)督定時器靜態(tài)硬件冗余：冗余結構并不隨故障情況變化的冗余形式。模塊1模塊2比較器輸入輸出一致/不一致圖2.19

雙機比較方案雙機比較兩個相同模塊并行執(zhí)行相同的計算，其結果由比較器進行比較。只提供故障檢測能力，但不提供容錯能力。配之以故障定位技術及切換技術，可以實現容錯。5802-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系02-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系備用替換一個模塊為主用模塊，用以產生系統(tǒng)輸出，其余模塊作為備用模塊。采用各種故障檢測技術及故障定位技術來確定發(fā)生故障的模塊。若主模塊發(fā)生故障，則進行重組，使一個正常的備用模塊為主用，從而使系統(tǒng)恢復正常運行。在進行重組的過程中系統(tǒng)正常運行發(fā)生

暫時的中斷。模塊1N至1開關輸入輸出圖59

2.20

備用替換差錯檢測模塊2模塊n差錯檢測差錯檢測……成對備用將備用替換與雙機比較結合起來就成為成對備用。圖中n個模塊中至少有兩個模塊組成主件對進行工作并將結果進行比較。一旦比較結果不一致就啟動重組，將該對模塊切除，并將另兩個模塊組成主件對。模塊可以永久性的成對組合，也可以臨時選取兩個成對組合。一致/不一致輸出圖2.21

成對備用系統(tǒng)比較器模塊1N至2開關輸入差錯檢測模塊2模塊n差錯檢測差錯檢測…6002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系…監(jiān)督定時器需要以一定周期重復復位的定時器，用它可以監(jiān)測系統(tǒng)中的故障。基本思想：當一個系統(tǒng)無故障時，它應能按一定周期重復地將監(jiān)督定時器復位。如果監(jiān)督定時器未能被按時復位，超過一定時間，它將發(fā)出信號，指出系統(tǒng)中存在故障。定時器的復位周期應根據實際應用的要求而定。監(jiān)督定時器不僅能檢測硬件故障，也能檢測軟件故障。例如，一個軟件如進入死循環(huán)，它就會超過正常執(zhí)行該軟件所需的時間，監(jiān)督定時器就會因得不到及時復位而給出出錯提示。遠動系統(tǒng)中最常用的是三模冗余和雙機備用系統(tǒng)。6102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.7

遠動系統(tǒng)的可靠性與避錯、容錯技術6202-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.7.3

避錯與容錯技術雙機熱備(2)信息冗余6302-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系通過在數據中附加冗余的信息以達到故障檢測、故障掩蔽或容錯的目的。信息冗余的例子有檢錯碼及糾錯碼,通過在數據字中附加冗余的信息或通過把數據字映射到含冗余信息的新的表示而形成的編碼。①糾錯碼是指能糾正碼字中發(fā)生錯誤的碼?；舅枷耄菏褂行ё址铣蔀樗写a子集合的一個子集，且這些類型的差錯會使一個有效碼字變成一個無效碼字。②檢錯碼能檢查出碼子中發(fā)生錯誤，但不能糾正錯誤。檢錯碼可在動態(tài)冗余中作為故障檢測，用來啟動重組；糾錯碼可用來達到故障屏蔽。鐵路信號遠動系統(tǒng)中最常用的檢糾錯碼為CRC（循環(huán)冗余校驗）和BCH碼。6402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系（3）時間冗余①基本思想：重復進行計算以檢測故障。按照重復計算是在指令級還是在程序段級，時間冗余可以分為指令復執(zhí)和程序卷回。下面介紹兩種用時間冗余檢測瞬時故障及永久故障。6502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系瞬時故障檢測相同的計算重復進行兩次或更多次，并比較結果以檢測是否有差錯。如果檢測到差錯，可再計算一次看是否有差錯。該方法對檢測瞬時故障造成的差錯有效，并且在瞬時故障消失后可得到正確結果。但它無法檢測由永久故障造成的差錯?？蓪r間冗余與信息冗余結合起來，例如可以由檢錯碼檢測差錯，然

后可以用重復計算來區(qū)分差錯是由永久性故障造成的還是由瞬時故障造成的差錯輸出存結果存結果存結果比較圖2.22

重復計算檢測瞬時故障…計算計算計算…數據數據數據t00t

+△t0+n△時間6602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系02-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系永久故障檢測若配以少量附加硬件，時間冗余也可用來檢測永久故障。假設第一次計算或傳送的數據為X，將結果存儲起來。在進行第二次計算或數據傳送之前，數據用編碼函數e進行編碼，成為e(X)。然后對

e(X)進行第二次計算或傳遞，其結果經譯碼與第一次結果進行比較。編碼函數e(X)應選擇為能檢測出硬件永久故障。差錯輸出數據X圖2.23

時間冗余檢測67

永久故障計算編碼e(x)t0t0+△數據X時間存結果存結果比較計算譯碼e1(R)R（4）軟件冗余按照檢測與容忍故障類型，可將軟件冗余分為兩大類第一類：用冗余的軟件來檢測與容忍硬件故障；第二類：用冗余的軟件來檢測與容忍軟件故障。一致性校驗（第一類）用事前知道的信息特征來檢驗信息的正確性。例如，有些應用中事先知道某個數字信號決不會超過某個值。假如該信號超過了這個值，說明存在差錯。

一致性校驗有如下幾種類型：①信息越界檢查用一個子程序來檢查被處理的信息及處理的結果是否超過已知的范圍。若超過則說明發(fā)生了差錯。6802-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系②非法指令檢查在執(zhí)行指令前先對指令操作碼及地址碼進行檢查，以確定是否合法。這類檢驗一般用硬件實現。③系統(tǒng)性能與預期性能比較如發(fā)現有較大偏差，則說明存在故障。這種校驗對某個動態(tài)系統(tǒng)特別有效。先對動態(tài)系統(tǒng)建模，然后用軟件實現該模型以得到預期性能，最后測量系統(tǒng)

的實際性能，并與模型的預測性能進行比較。這些均可用軟件實現。④字計數溢出校驗數據以信息包的形式傳送，每個信息包有指定的字數，并在信息包頭部予以指明。假如接收到的字數與信息包頭部指明的字數不同，則說明發(fā)生了差錯。字數計算與比較均可用軟件實現。6902-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系能力校驗（第一類）用來證明系統(tǒng)是否具有預期的能力。能力可以指存儲器是否完整、多處理機中正確工作的處理機數量以及ALU工作是否正常。能力校驗有如下幾種形式：①存儲器測試用一個測試程序對存儲器的某個存儲單元進行讀寫指定模式的數據，以驗證存儲器數據是否正確。7002-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系②算術邏輯部件測試處理機周期性的對特定數據進行指定的運算，并將結果與存儲在ROM中的預期結果進行比較。這種能力校驗不僅能校驗算術邏輯部件的能力，同時也可校驗存儲器的能力，被執(zhí)行的運算包括加法、乘法、邏輯運算以及數據傳送等。③多處理機系統(tǒng)中處理機間通訊測試包括周期性地從一個處理機向另一個處理機傳送特定值，以證明它們有能力通過共享存儲器與其他處理機通信。7102-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.8

網絡安全和數據安全傳輸技術7202-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.8.1

網絡安全ISO將計算機安全定義為“為數據處理系統(tǒng)建立和采取的技術和管理的安全保護，保護計算機硬件、軟件數據不因偶然和惡意的原因而遭到破壞、更改和泄露?！蔽覈约旱亩x是“計算機系統(tǒng)的硬件、軟件、數據受到保護，不因偶然的或者惡意的原因而遭到破壞、更改、泄露，系統(tǒng)能連續(xù)可靠的正常運作、網絡服務不中斷。”因此，所謂網絡安全就是指基于網絡的互聯互通和運作而涉及的物理線路和連接的安全、網絡系統(tǒng)的安全、操作系統(tǒng)的安全、應用服務的安全和人員管理的安全等幾個方面。2.8

網絡安全和數據安全傳輸技術7302-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.8.1

網絡安全網絡安全的特征保密性：信息不泄露給非授權的用戶、實體或過程，或供其利用的特性。完整性：數據未經授權不能改變的特性，信息在存儲或傳輸過程中保持不被修改、不被破壞或丟失的特性?？捎眯裕嚎杀皇跈鄬嶓w訪問并按需求使用的特性，即當需要時能存取所需的信息。網絡環(huán)境下拒絕服務、破壞網絡和有關系統(tǒng)的正常運行都屬于對可用性的攻擊?？煽匦裕簩π畔⒌膫鞑ゼ皟热萦锌刂颇芰Α０踩?、應用服務的安全和人員管理的安全等幾個方面。2.8

網絡安全和數據安全傳輸技術7402-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.8.1

網絡安全鐵路遠動信號系統(tǒng)是重要的行車設備，直接涉及行車安全，須采用相關的網絡安全系統(tǒng)及相應的管理措施，以有效地防止“黑客”侵入造成的網絡癱瘓及設備損壞，防止重點列車運行信息泄密。主要包括下列內容：TDCS在部中心與路局中心、路局中心與車站之間，采用防火墻和入侵檢測系統(tǒng)，實現對于TDCS系統(tǒng)的系統(tǒng)訪問控制、資源訪問控制以及入侵監(jiān)測。不同的信息系統(tǒng)之間的接口，應采用專用的接口及協(xié)議，以保證間的安全隔離。2.8

網絡安全和數據安全傳輸技術7502-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.8.1

網絡安全網絡安全系統(tǒng)本身應要具有高可靠性，有較強的管理機制和安全控制手段，具備熱備份、事故監(jiān)控和網絡安全保密等技術措施，在系統(tǒng)出現單點故障時既能保證系統(tǒng)的安全又不影響系統(tǒng)的正常工作。應通過嚴格的機房管理、交接班管理、技術培訓措施，來保證設備的物理安全性，使非可信任人員不能接近網絡設備、線路和相關的基礎設施（如電力、空調系統(tǒng)），杜絕人為因素導致的網絡故障、網絡中斷、網絡管理的漏洞。2.8

網絡安全和數據安全傳輸技術7602-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系2.8.1

網絡安全應通過口令管理，來保證路由器控制臺登錄和遠程telnet登錄的安全。防止口令及用戶認證信息在網絡中明文傳輸。在網絡設備中設置SYSLOG，產生完善的系統(tǒng)信息，防止通過破解口令攻擊路由器等網絡設備。（syslog機制負責記錄內核和應用程序產生的日志信息,管理員可以通過查看日志記錄,來掌握系統(tǒng)狀況。）2.9

鐵路專用全球移動通信系統(tǒng)GSM-R7702-10月-23西南交通大學峨眉校區(qū)計算機系GSM-R