CN112788015A - 一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法 - Google Patents

一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法，工业网关通过串口和网口捕获由上位机与下位机发送到工业网关的报文，提取报文中表征不同协议类型以及协议字段的特征，依靠协议的字符特征识别并解析报文；本发明基于工业网关实现了工控协议的智能识别与解析，兼容了网关对上位机和下位机的协议的识别与解析。可实现四十多种工控协议、自定义协议及未知协议的识别与解析，弥补了相关工作中支持的协议类型较少的不足。本发明将报文的智能处理与人工干预相结合，在提高协议识别与解析速度的同时，保障了结果的精确率。

Description

一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法
技术领域
本发明涉及计算机通信技术领域，特别是涉及一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法。
背景技术
工业物联网是指工业领域的物联网技术，是机器、计算机和人员利用先进的数据分析成果来实现工业智能化的技术。在工业设备上装置传感器，将传感器连入互联互通的网络，实现工业资源的数据互通和系统互操作，以提高工业生产效率和工业资源利用率，优化工业制造流程和技术，构建新工业生产体系。目前，工业物联网已逐步应用于制造业、零售业、通用工业和运输业等多个工业领域的各生产环节中，有效的提高了企业协作效率。
工业网关是为了满足工业级标准和工业用户的需求而设计的工业级智能网关，是工业物联网和工控系统的核心组成部分。在工业物联网场景下，工业感知设备需要依靠智能网关实现数据采集、转发、传输，边缘计算，协议转换等功能，基于上述功能需求，要求网关能够实现串联信息化与自动化的桥梁作用，承上启下，解析下位机中使用的工控协议，同时对接上位机中使用的网络协议，完成传感器间的协议转换，并在发送数据之前对其进行预处理，实现安全可靠的数据传输。
工业控制网络多为局域网，作用范围在几千米之内，面临电磁波和机械振动等干扰，对控制的实时性有严格的要求，遍布于工厂的生产车间、装配流水线、温室、楼宇、各种交通管系统等处。基于上述特点，工业控制系统的现场网络与控制网络之间的通信、现场网络各工控设备之间的通信、控制网络各组件的通信往往采用工业控制系统特有的通信协议，即工控协议。当前应用的工控协议多为私有协议，协议格式封、可自定义，且字段之间无标准定界符，使得协议的规范格式往往是未知的，难以直接解析协议报文。研究发现，现有相关工作中针对工控协议的工作相对不足，多数工作只在模拟场景下进行且支持的协议数量相对较少。如工作“Industrial Control Intrusion Detection Model Based on S7Protocol”中就仅支持S7协议的解析；工作“Research on Multi-protocol Parsing inIntelligent Buildings”就仅在模拟场景下验证性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法，兼容对上、下位机协议的识别与解析，支持数十种工控协议的识别与解析，将智能识别解析与人工干预相结合，使得协议模板可动态扩展，支持的协议类型可不断扩充，以克服未知协议的识别与解析难题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法，工业网关通过串口和网口捕获由上位机与下位机发送到工业网关的报文，提取报文中表征不同协议类型以及协议字段的特征，依靠协议的字符特征识别并解析报文；具体步骤如下：
步骤1、工业网关分别与感知设备、客户机建立串口通信与套接字通信，根据两个信道中各自存在的数据量，判断当前报文的来源；若报文来自下位机，则转向步骤2；若报文来自上位机，则转向步骤3；
步骤2、读取串口中的数据；由于当前工业网关的串口通信只支持Modbus-RTU协议，因此可通过报文来源为串口通信判断，传输当前报文使用的通信协议为Modbus-RTU协议，根据协议字段模板库中Modbus-RTU协议的通讯格式解析当前报文，完成报文的协议识别与解析；
步骤3、工业网关从网口接收客户机发送的报文，根据网络的五层体系结构按层拆分报文，获取传输层使用的端口号，通过端口号匹配端口对应的协议类型；若匹配成功，即该端口存在对应的协议，则转向步骤4；若匹配失败，则转向步骤5；
步骤4、根据工业网关识别到的协议类型匹配协议字段模板库中该协议类型对应的解析模板，按照解析模板对应的解析格式即字段字典解析报文；
步骤5、将报文与协议类型模板库中的模板进行匹配，若匹配成功则将报文识别为模板对应的协议类型，并转向步骤4；若匹配失败，则转向步骤6；
步骤6、将报文标记为未知协议报文，向网关发送人工干预请求，对相关人员派遣人工识别与解析任务，将识别与解析结果分别作为新模板添加到协议类型模板库与协议字段模板库；
步骤7、重复步骤2，3，4，5，6，直至信道中不存在数据。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明基于工业网关实现了工控协议的智能识别与解析。工业网关作为桥梁通过串口通信与套接字通信追踪并实时分析工业生产过程中产生的报文，两种通信方式的连接，使本方案兼容对计算平台等上位机和工业传感设备等下位机在通信过程中涉及报文的协议的识别与解析，协助工业网关转换协议，加速实现上、下位机之间的准确沟通。
本方案挖掘历史报文数据，基于最长公共子序列度量报文间的相似性并聚类，根据聚类结果生成协议类型模板库和协议字段模板库。两种模板库均可随报文数据的增加而扩展，因此相比于现有的方案，本方案具有更高的可扩展性。现有的许多方案只针对特定的协议，而本方案利用现有数据能够实现四十多种工控协议的识别并解析，且支持的协议数量可以进一步扩展。由于本方案中涉及的模板库仅根据报文内容生成而不依赖于先验知识，并可以通过人工干预处理报文并更新模板，因此本方案不仅适用于通用的工业协议，还适用于自定义协议及未知协议的识别与解析，弥补了相关工作中支持的协议类型不足的缺陷。同时，本方案根据适用条件的差异，采用多种识别与解析方案，提高了协议识别与解析速度，并保障了结果的精确率。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的协议解析与识别的操作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
步骤1：打开工业网关的RS485、RS232串口，建立客户机(客户端)与工业网关(服务端)的套接字通信，同时监听串口和网口的数据传输通道，采用FIFO的策略处理率先传输到工业网关的报文，以报文来源判断工业网关当前通信方式。若当前通信方式为串口通信，则转向步骤2；若报文来自套接字通信，则转向步骤3。
步骤2：从串口获取等待接收的数据量，读取对应数据量的报文，释放报文捕获通道，进行下一次的数据传输方式判断。对于串口中捕获的报文，由于当前普遍认为支持串口通信的工控协议仅有Modbus-RTU协议，因此可由通信方式识别出当前获取的报文所属的协议类型为Modbus-RTU。在协议字段模板库中查找Modbus-RTU对应的报文通讯格式，按照其中的字段模板对报文进行解析。
步骤3：工业网关作为服务端监听并捕获从Socket客户端发送的报文，当接收成功后向客户端发送提示并切断通信。将捕获到的报文根据网络的“应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层”五层体系结构顺次拆分，在传输层获取TCP/UDP协议使用的端口号，在端口字典中匹配端口号对应的协议类型，若匹配成功则转向步骤4；匹配失败则转向步骤5。
步骤4：将网络报文按五层结构拆分，应用层之上的报文内容根据网络协议的通用格式解析，应用层RAW部分单独解析。根据识别到的协议类型在协议字段模板库中匹配该协议类型对应的解析模板，以最长公共子序列LCS为相似度度量依据，依照与报文相似度最高的模板对应的解析格式解析报文。
其中，模板匹配公式具体为式(1)
Tmatch＝max{Similaritylcs(i)|i∈T} (1)
式中T和Tmatch分别表示模板列表和模板匹配结果；Similaritylcs(i)表示报文与T中第i个模板之间的相似度度量结果。
其中，相似度度量公式具体为式(2)
Figure BDA0002876249240000041
式中t和m分别表示模板和报文；lt和lm分别表示模板长度和报文长度；lLCS表示报文m与模板t之间最长公共子序列的长度。
步骤5：将报文与协议类型模板库中的报文进行相似度度量，若度量结果达到阈值范围，则认为其与模板匹配成功，将报文标记为该模板对应的协议类型，并转向步骤4；若相似度未达到阈值范围，则认为匹配失败，转向步骤6。
步骤6：将仍未识别出协议类型的报文标记为未知报文，判定此时报文为未知协议报文或自定义协议的报文，向工业网关发送人工干预请求，工业网关对报文进行人工分析，首先判断该条报文是否属于错误报文或攻击报文，若属于则抛弃，若不属于则进行人工识别与解析，并将结果作为新模板添加到协议类型模板库与协议字段模板库中。
步骤7：完成单条报文的解析后，重复步骤2，3，4，5，6，直到在等待时间范围内，两个信道中均不存在数据时，认为当前不再需要进行协议的识别与解析，将相关进程挂起。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于工业网关的工控协议识别与解析方法，其特征在于，工业网关通过串口和网口捕获由上位机与下位机发送到工业网关的报文，提取报文中表征不同协议类型以及协议字段的特征，依靠协议的字符特征识别并解析报文；具体步骤如下：
步骤1、工业网关分别与感知设备、客户机建立串口通信与套接字通信，根据两个信道中各自存在的数据量，判断当前报文的来源；若报文来自下位机，则转向步骤2；若报文来自上位机，则转向步骤3；
步骤2、读取串口中的数据；由于当前工业网关的串口通信只支持Modbus-RTU协议，因此可通过报文来源为串口通信判断，传输当前报文使用的通信协议为Modbus-RTU协议，根据协议字段模板库中Modbus-RTU协议的通讯格式解析当前报文，完成报文的协议识别与解析；
步骤3、工业网关从网口接收客户机发送的报文，根据网络的五层体系结构按层拆分报文，获取传输层使用的端口号，通过端口号匹配端口对应的协议类型；若匹配成功，即该端口存在对应的协议，则转向步骤4；若匹配失败，则转向步骤5；
步骤4、根据工业网关识别到的协议类型匹配协议字段模板库中该协议类型对应的解析模板，按照解析模板对应的解析格式即字段字典解析报文；
步骤5、将报文与协议类型模板库中的模板进行匹配，若匹配成功则将报文识别为模板对应的协议类型，并转向步骤4；若匹配失败，则转向步骤6；
步骤6、将报文标记为未知协议报文，向网关发送人工干预请求，对相关人员派遣人工识别与解析任务，将识别与解析结果分别作为新模板添加到协议类型模板库与协议字段模板库；
步骤7、重复步骤2，3，4，5，6，直至信道中不存在数据。
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