CN110417745A - 一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法和系统 - Google Patents

一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法，属于工业防火墙技术领域。本发明包括：接收ModbusTCP协议数据包，对该ModbusTCP协议数据包进行解析，并根据解析结果判断该ModbusTCP协议数据包是否包括有至少一个操作字段，如果是则使用预先构建好的决策树对得到的解析结果进行匹配处理，以得到最终的匹配结果。操作字段包括功能码字段、子功能码字段、访问类型字段、寄存器地址字段、以及寄存器值字段。本发明通过构造一棵决策树，将规则文件中的所有规则放入决策树中的对应位置，然后对ModbusTCP数据包进行过滤处理，从而解决了现有工控防火墙机制存在的匹配时间长的技术问题。

Description

一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法和系统
技术领域
本发明属于工业防火墙技术领域，更具体地，涉及一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法和系统。
背景技术
对常见的一些工业控制协议(如ModbusTCP协议)数据包进行过滤是现有工控防火墙必不可少的功能。当有MobbusTCP数据包经过工控防火墙后，防火墙首先进行协议解码，解出若干关键字段，然后与多个白名单规则进行逐条匹配，直到找到匹配项为止。
然而，现有的工控防火墙机制还存在一些缺点：首先，当白名单规则数量较多时，匹配的时间会明显增加；其次，一个MobbusTCP数据包是否能快速匹配成功，完全取决于白名单规则在规则文件中的存放顺序，当匹配的白名单规则存放在规则文件的末尾时，则匹配时间会很长。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法和系统，其目的在于，通过构造一棵决策树，将规则文件中的所有规则放入决策树中的对应位置，然后对ModbusTCP数据包进行过滤处理，从而解决了现有工控防火墙机制存在的匹配时间长的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法，包括以下步骤：
(1)接收ModbusTCP协议数据包，对该ModbusTCP协议数据包进行解析，并根据解析结果判断该ModbusTCP协议数据包是否包括有至少一个操作字段，如果是则进入步骤(2)，否则过程结束；
(2)使用预先构建好的决策树对步骤(1)得到的解析结果进行匹配处理，以得到最终的匹配结果。
优选地，操作字段包括功能码字段、子功能码字段、访问类型字段、寄存器地址字段、以及寄存器值字段。
优选地，步骤(2)包括以下子步骤：
(2-1)判断该ModbusTCP协议数据包中协议标识(Flag)字段中的值是否是0x0000，若是则进入步骤(2-2)，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
(2-2)判断该ModbusTCP协议数据包中数据的实际长度是否和该ModbusTCP协议数据包中协议长度标识(Length)字段中的值一致，若是则进入步骤(2-3)，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
(2-3)设置计数器i＝1；
(2-4)判断i是否大于N，如果大于则过程结束，否则转入步骤(2-5)，其中N表示ModbusTCP协议数据包中操作字段的总数；
(2-5)利用预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与步骤(1)中得到的解析结果进行匹配，并判断匹配是否成功，如果成功则输出匹配成功的通知，然后过程结束，否则转入步骤(2-6)；
(2-6)设置i＝i+1，并返回步骤(2-4)。
优选地，判断预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与步骤(1)中得到的解析结果是否匹配，首先是看解析结果中的操作字段中是否完全包括所有规则中的所有操作字段，如果不是则表示二者匹配失败，如果是则再看所有规则中每个操作字段中的值是否与解析结果中对应操作字段中的值完全相等，如果相等，则说明二者成功匹配，否则二者匹配失败。
优选地，决策树是通过以下方式构建的：
(a)建立一个节点作为决策树的根节点作为当前节点；
(b)设置计数器j＝1；
(c)判断计数器j是否大于N，如果是则过程结束，否则转入步骤(d)；
(d)从当前节点引出第j个左子树和第j个右子树；
(e)从规则文件获取多条规则，所有规则构成规则集；
(f)从步骤(e)获取的规则集中取出只包括j个操作字段的多条规则，将其放入第j个左子树中，并将第j个右子树作为当前节点；
(g)设置j＝j+1，并返回步骤(c)。
优选地，当接收到来自于用户的添加规则请求时，首先保存该添加规则请求所对应的规则，并根据该规则中的操作字段总数m，将该规则添加到决策树的第m个左子树中。
按照本发明的另一方面，提供了一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配系统，包括：
第一模块，用于接收ModbusTCP协议数据包，对该ModbusTCP协议数据包进行解析，并根据解析结果判断该ModbusTCP协议数据包是否包括有至少一个操作字段，如果是则进入步骤(2)，否则过程结束；
第二模块，用于使用预先构建好的决策树对第一模块得到的解析结果进行匹配处理，以得到最终的匹配结果。
优选地，第二模块包括：
第一子模块，用于判断该ModbusTCP协议数据包中协议标识(Flag)字段中的值是否是0x0000，若是则进入第二子模块，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
第二子模块，用于判断该ModbusTCP协议数据包中数据的实际长度是否和该ModbusTCP协议数据包中协议长度标识字段中的值一致，若是则进入第三子模块，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
第三子模块，用于设置计数器i＝1；
第四子模块，用于判断i是否大于N，如果大于则过程结束，否则转入第五子模块，其中N表示ModbusTCP协议数据包中操作字段的总数；
第五子模块，用于利用预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与第一模块中得到的解析结果进行匹配，并判断匹配是否成功，如果成功则输出匹配成功的通知，然后过程结束，否则转入第六子模块；
第六子模块，用于设置i＝i+1，并返回第四子模块。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明能够解决现有工控防火墙机制中存在的当白名单规则数量较多时，匹配时间会明显增加的技术问题：由于本发明采用了步骤(2)构造了决策树，并将最可能匹配的规则放在决策树的顶端，因此即使规则数量众多，也能够保证较短的匹配时间；
(2)本发明对于用户载入的新规则，可实现灵活地将该规则动态添加到决策树中；
(3)本发明的实现过程不需要对工控防火墙程序进行修改，因此本发明适用于绝大多数工控防火墙，且具有良好的可移植性。
附图说明
图1是本发明构建的决策树的示意图。
图2是本发明支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示，本发明提供了一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法，包括以下步骤：
(1)接收ModbusTCP协议数据包，对该ModbusTCP协议数据包进行解析，并根据解析结果判断该ModbusTCP协议数据包是否包括有至少一个操作字段，如果是则进入步骤(2)，否则过程结束；
具体而言，本步骤中的操作字段包括功能码字段(Function)、子功能码字段(Subfunction)、访问类型字段(Access，即读或写)、寄存器地址字段(Address)、以及寄存器值字段(Value)。
本步骤中得到的解析结果是例如Function：0x05；Subfunction：0x16；Access：Read(即读类型)，在该示例的情况下可以清楚的看出，该ModbusTCP协议数据包包括三个操作字段：功能码字段、子功能码字段、以及访问类型字段。
(2)使用预先构建好的决策树对步骤(1)得到的解析结果进行匹配处理，以得到最终的匹配结果。
具体而言，本步骤具体包括以下子步骤：
(2-1)判断该ModbusTCP协议数据包中协议标识(Flag)字段中的值是否是0x0000，若是则进入步骤(2-2)，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
(2-2)判断该ModbusTCP协议数据包中数据的实际长度是否和该ModbusTCP协议数据包中协议长度标识(Length)字段中的值一致，若是则进入步骤(2-3)，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
(2-3)设置计数器i＝1；
(2-4)判断i是否大于N，如果大于则过程结束，否则转入步骤(2-5)，其中N表示ModbusTCP协议数据包中操作字段的总数；
(2-5)利用预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与步骤(1)中得到的解析结果进行匹配，并判断匹配是否成功，如果成功则输出匹配成功的通知，然后过程结束，否则转入步骤(2-6)；
本步骤中的决策树(如图1所示)是通过以下方式构建的：
(a)建立一个节点作为决策树的根节点作为当前节点；
(b)设置计数器j＝1；
(c)判断计数器j是否大于N，如果是则过程结束，否则转入步骤(d)；
(d)从当前节点引出第j个左子树和第j个右子树；
(e)从规则文件获取多条规则，所有规则构成规则集；
具体而言，规则文件是用户自身创建的，其文件格式是.rules文件。
(f)从步骤(e)获取的规则集中取出只包括j个操作字段的多条规则，将其放入第j个左子树中，并将第j个右子树作为当前节点；
(g)设置j＝j+1，并返回步骤(c)；
具体而言，判断预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与步骤(1)中得到的解析结果是否匹配，首先是看解析结果中的操作字段中是否完全包括所有规则中的所有操作字段(即前者的操作字段总数大于或等于后者的操作字段总数)，如果不是则表示二者匹配失败，如果是则再看所有规则中每个操作字段中的值是否与解析结果中对应操作字段中的值完全相等，如果相等，则说明二者成功匹配，否则二者匹配失败。
(2-6)设置i＝i+1，并返回步骤(2-4)；
当接收到来自于用户的添加规则请求时，会首先保存该添加规则请求所对应的规则，并根据该规则中的操作字段数总m，将该规则添加到决策树的第m个左子树中。
本发明的过滤方法，根据构造出来的决策树，载入防火墙规则集，按最小规则优先的思想，先匹配包含关键字段较少的规则集，约束条件少的情况下匹配成功的可能性越大；若匹配不成功，则再匹配关键字段较多的规则集，约束条件越多，则匹配成功的可能性越低。以此决策树来对解析出来的ModbusTCP协议数据包进行匹配，一定程度上提高了匹配速率；此外，当加载新生成的规则时，只需要根据规则中所包含的关键字段信息，载入决策树的对应位置即可，具有一定的灵活性；最后，本发明不需要对防火墙程序进行修改，适用于绝大多数工业防火墙，具有良好的可移植性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接收ModbusTCP协议数据包，对该ModbusTCP协议数据包进行解析，并根据解析结果判断该ModbusTCP协议数据包是否包括有至少一个操作字段，如果是则进入步骤(2)，否则过程结束；
(2)使用预先构建好的决策树对步骤(1)得到的解析结果进行匹配处理，以得到最终的匹配结果。
2.根据权利要求1所述的规则匹配方法，其特征在于，操作字段包括功能码字段、子功能码字段、访问类型字段、寄存器地址字段、以及寄存器值字段。
3.根据权利要求1所述的规则匹配方法，其特征在于，步骤(2)包括以下子步骤：
(2-1)判断该ModbusTCP协议数据包中协议标识(Flag)字段中的值是否是0x0000，若是则进入步骤(2-2)，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
(2-2)判断该ModbusTCP协议数据包中数据的实际长度是否和该ModbusTCP协议数据包中协议长度标识(Length)字段中的值一致，若是则进入步骤(2-3)，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
(2-3)设置计数器i＝1；
(2-4)判断i是否大于N，如果大于则过程结束，否则转入步骤(2-5)，其中N表示ModbusTCP协议数据包中操作字段的总数；
(2-5)利用预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与步骤(1)中得到的解析结果进行匹配，并判断匹配是否成功，如果成功则输出匹配成功的通知，然后过程结束，否则转入步骤(2-6)；
(2-6)设置i＝i+1，并返回步骤(2-4)。
4.根据权利要求3所述的规则匹配方法，其特征在于，判断预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与步骤(1)中得到的解析结果是否匹配，首先是看解析结果中的操作字段中是否完全包括所有规则中的所有操作字段，如果不是则表示二者匹配失败，如果是则再看所有规则中每个操作字段中的值是否与解析结果中对应操作字段中的值完全相等，如果相等，则说明二者成功匹配，否则二者匹配失败。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的规则匹配方法，其特征在于，决策树是通过以下方式构建的：
(a)建立一个节点作为决策树的根节点作为当前节点；
(b)设置计数器j＝1；
(c)判断计数器j是否大于N，如果是则过程结束，否则转入步骤(d)；
(d)从当前节点引出第j个左子树和第j个右子树；
(e)从规则文件获取多条规则，所有规则构成规则集；
(f)从步骤(e)获取的规则集中取出只包括j个操作字段的多条规则，将其放入第j个左子树中，并将第j个右子树作为当前节点；
(g)设置j＝j+1，并返回步骤(c)。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的规则匹配方法，其特征在于，当接收到来自于用户的添加规则请求时，首先保存该添加规则请求所对应的规则，并根据该规则中的操作字段总数m，将该规则添加到决策树的第m个左子树中。
7.一种支持ModbusTCP低延时处理的规则匹配系统，其特征在于，包括：
第一模块，用于接收ModbusTCP协议数据包，对该ModbusTCP协议数据包进行解析，并根据解析结果判断该ModbusTCP协议数据包是否包括有至少一个操作字段，如果是则进入步骤(2)，否则过程结束；
第二模块，用于使用预先构建好的决策树对第一模块得到的解析结果进行匹配处理，以得到最终的匹配结果。
8.根据权利要求7所述的规则匹配系统，其特征在于，操作字段包括功能码字段、子功能码字段、访问类型字段、寄存器地址字段、以及寄存器值字段。
9.根据权利要求7所述的规则匹配系统，其特征在于，第二模块包括：
第一子模块，用于判断该ModbusTCP协议数据包中协议标识(Flag)字段中的值是否是0x0000，若是则进入第二子模块，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
第二子模块，用于判断该ModbusTCP协议数据包中数据的实际长度是否和该ModbusTCP协议数据包中协议长度标识字段中的值一致，若是则进入第三子模块，否则说明该ModbusTCP协议数据包本身发生了数据传输错误，过程结束；
第三子模块，用于设置计数器i＝1；
第四子模块，用于判断i是否大于N，如果大于则过程结束，否则转入第五子模块，其中N表示ModbusTCP协议数据包中操作字段的总数；
第五子模块，用于利用预先构建好的决策树的第i个左子树中的所有规则与第一模块中得到的解析结果进行匹配，并判断匹配是否成功，如果成功则输出匹配成功的通知，然后过程结束，否则转入第六子模块；
第六子模块，用于设置i＝i+1，并返回第四子模块。
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