CN115134432B - 一种多工业通信协议自适应快速解析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多工业通信协议自适应快速解析方法，包括以下步骤：根据协议报文的组成特点，将工业通信协议分成单层帧或多层帧的协议格式；对于不同种工业通信协议，采用XML树状结构并根据协议格式，按照自定义的XML标签和属性对其进行描述，形成协议解析树，并保存于XML解析文档中；加载XML解析文档到内存中，解析某一工业通信协议报文时，调用内存中的协议解析树，生成解析结果，完成工业通信协议的解析。本发明定义了一套XML标签和属性，使用XML树状结构描述协议，根据字段值进行索引、匹配和跳转，无需其它结构或文件来描述协议簇的关系，完成对多层帧的解析，同时可以自定义解析数据报文的起始位置。

Description

一种多工业通信协议自适应快速解析方法

技术领域

本发明属于工业通信和协议解析技术领域，具体涉及一种多工业通信协议自适应快速解析方法。

背景技术

工业控制系统通常由多个子系统组成，各个子系统之间通过工业以太网、串口、现场总线等不同接口进行信息交互，不同接口之间使用不同的工业通信协议进行通信，一些工业控制系统通过专有的工业通信协议进行通信，这导致了工业通信协议种类多样。对于使用开放的工业通信协议通信的工业控制系统，容易受到入侵和攻击，导致工业通信发生异常，甚至导致整个工业控制系统瘫痪。为了能快速、准确的定位通信异常发生的位置、评估工业通信的通信质量，对工业通信协议的解析变得尤为重要。针对不同的工业通信协议，在对数据报文解析时要采用不同的解析方法，常归的解析方法是为每类报文开发一套负责报文解析的程序，每套解析程序只负责解析一种报文，这种方法需要开发多种报文解析程序，通用性较差，同时也增加了报文解析的工作量和难度。此外，由于一些工业控制系统对通信的实时性和可靠性有很高的要求，这决定了要采用更快速的解析方法对报文进行解析。为了解决上述问题，本发明提供了一种基于分层跳转机制的多工业通信协议自适应快速解析方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于分层跳转机制的多工业通信协议自适应快速解析方法，能快速解析多种工业通信协议。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种多工业通信协议自适应快速解析方法，包括以下步骤：

根据协议报文的组成特点，将工业通信协议分成单层帧或多层帧的协议格式；

对于不同种工业通信协议，采用XML树状结构并根据协议格式，按照自定义的XML标签和属性对其进行描述，形成协议解析树，并保存于XML解析文档中；

加载XML解析文档到内存中，当解析某一工业通信协议的协议报文时，调用内存中的协议解析树，生成解析结果，完成工业通信协议的解析。

所述单层帧的自定义封装格式为：字段1、字段2、……字段n、数据区，或数据区、字段1、字段2、……字段n。

所述的多层帧的自定义封装格式为：首部1、首部2、……、首部n、数据区。

所述的XML解析文档中的每个协议具有唯一的协议标识码。

所述当解析某一工业通信协议的协议报文时，调用内存中的协议解析树，生成解析结果，包括以下步骤：

根据单层帧和多层帧的封装格式划分待解析工业通信协议，使用其对应协议格式的协议解析树对其进行解析；

当待解析工业通信协议的协议格式为单层帧格式时，根据协议解析树中Protocol节点中的direction属性确定待解析数据报文的起始位置，如果Protocol节点中的direction属性为front，则从数据报文头部开始，根据Protocol节点内部Field节点的顺序和属性描述，依次读取数据报文中的数据作为解析结果；如果Protocol标签中的direction属性为tail，则从数据报文尾部开始，根据Protocol节点内部Field节点的顺序和属性描述，反向依次读取数据报文中的数据作为解析结果；当待解析工业通信协议的协议格式为多层帧格式时，默认协议解析树中Protocol节点中的direction属性为front，从数据报文头部开始解析；

每次读取协议解析树中的Field节点时，如果待解析工业通信协议的协议格式为多层帧格式，则进一步判断Field节点的name属性中是否包含Protocol节点的next属性所表示的字符串，如果包含，则记录该Field节点对应的解析结果数值，将该数值与各协议解析树的协议标识码匹配，跳转至匹配成功的协议解析树，依照跳转后的协议解析树继续解析数据报文；如果待解析工业通信协议的协议格式为单层帧格式或为应用层协议，则默认next属性为none，表示无上层协议，不进行跳转。

所述自定义的XML标签包括：

Protocol标签，用于表示待解析的工业通信协议；

Field标签，用于表示工业通信协议中的字段；

Option标签，用于表示协议中的可选字段的开始；

Data标签，配合Item标签使用，用于表示协议内部的数据区的开始；

Item标签，配合Data标签使用，用于表示数据区中的每个数据项。

所述Protocol标签具有的属性包括：

name属性，用于表示工业通信协议名称；

id属性，用于表示协议标识码，各Protocol节点的id属性的值各不相同；

type属性，用于表示Protocol节点的数据类型；

next属性，用于表示当前层协议的上层协议的协议标识码，对于协议格式符合单层帧格式的协议或应用层协议，表示不存在上层协议，将该属性设置为none；对于协议格式符合多层帧格式的协议，由协议内部的某个字段指示得到，此时next属性存储用于表示上层协议的字段名称；

last属性，用于表示当前层协议的下层协议的协议标识码；

direction属性，用于表示解析当前协议的起始位置，属性值为front或tail，当direction属性值为front时，表示从数据报文的头部开始解析，当direction属性值为tail时，表示从数据报文的尾部开始解析。

所述Field标签具有的属性包括：

name属性，用于表示字段名称；

type属性，用于表示字段类型，同时作为字段的单位；

length属性，用于表示字段长度；

display属性，用于表示解析后字段的显示方式。

所述Option标签具有的属性包括：

condition属性，用于表示判断是否存在选项区的字段名称；

type属性，用于表示Option节点的数据类型，由于选项区中包含字段和数据区，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

所述Data标签具有的属性包括：

type属性，用于表示Data节点的数据类型，由于Data标签表示整个数据区，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

length属性，用于表示数据区中所有数据项的长度和，该属性值为工业通信协议内部表示数据区长度的字段值；

所述Item标签具有的属性包括：

type属性，用于表示数据项类型，同时作为数据项的单位，由于数据项直接存储数据，所以type的属性值为byte或bit；

length属性，用于表示数据项的长度；

display属性，用于表示解析后数据项的显示方式。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明将工业通信协议的数据报文分为单层帧和多层帧，并设计了一套XML标签和属性，适用于描述多种工业通信协议的格式，实现了对多种工业通信协议的解析。

2.本发明中使用XML树状结构对所需解析的协议进行描述，形成协议解析树，并为每棵协议解析树分配唯一的协议标识码，在解析多层帧时，根据Protocol节点的next属性的指示字段的值与协议标识码的对应关系跳转至上层协议进行解析，无需遍历XML解析文档中描述的所有协议，无需额外的结构或文件描述协议簇之间的关系，文件结构更加简单易懂，加快解析速度。

3.本发明设计的XML标签和属性中的direction属性用于规定解析起始字段的位置，适用于少数数据区在前，报文字段在后的工业通信协议，覆盖了更多种类的工业通信协议，通用性更强。

附图说明

图1为本发明的多工业通信协议自适应快速解析方法流程图；

图2为本发明的分层跳转机制流程图；

图3为本发明定义的单层帧结构示意图；

图4为本发明定义的多层帧结构示意图；

图5为工业通信协议实例中Modbus TCP协议通信数据报文的结构框图；

图6为XML解析文档中协议解析树的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

结合附图1和附图2所示，一种多工业通信协议自适应快速解析方法，包括：

步骤S1：对于不同的工业通信协议，根据报文的组成特点分为单层帧和多层帧；

步骤S2：采用XML树状结构并按照自定义的XML标签和属性进行描述，形成协议解析树，如图6所示，并保存于XML解析文档中，所述的XML解析文档中的各个协议具有唯一的协议标识码；

步骤S3：加载XML解析文档，解析数据报文时，调用内存中的协议解析树，生成解析结果。

如图3所示，所述单层帧的自定义封装格式为：字段1、字段2、……字段n、数据区或数据区、字段1、字段2、……字段n。

如图4所示，所述的多层帧的自定义封装格式为：首部1、首部2、……、首部n、数据区。

进一步地，所述步骤S3包括：

步骤S31：根据单层帧和多层帧的定义来划分协议，确定协议解析树；

步骤S32：当需要解析的协议格式符合单层帧格式时，根据Protocol节点中的direction属性确定解析数据报文的起始位置，如果Protocol节点中的direction属性为front，则从数据报文头部开始，根据Protocol节点内部Field节点的顺序和属性描述，依次读取数据报文中的数据作为解析结构；如果Protocol标签中的direction属性为tail，则从数据报文尾部开始，根据Protocol节点内部Field节点的顺序和属性描述，反向依次读取数据报文中的数据作为解析结构；当需要解析的协议格式符合多层帧格式时，默认direction属性为front，从数据报文头部开始解析；

步骤S33：每次读取Field节点时，如果需要解析的协议格式符合多层帧格式，则进一步判断Field节点的name属性中是否包含Protocol节点的next属性所表示的字符串，如果包含，则记录该Field节点对应的解析结果数值，将该数值与各协议解析树的协议标识码匹配，跳转至匹配成功的协议解析树，依照跳转后的协议解析树继续解析数据报文；如果需要解析的协议格式符合单层帧格式或为应用层协议，则默认next属性为none，表示无上层协议，不进行跳转。

优选的，自定义XML的标签和属性：

Protocol标签，用于表示所需解析的某种工业通信协议；

进一步的，Protocol标签具有属性：

name属性，用于表示协议名称；

id属性，用于表示协议标识码，每个协议具有唯一的协议标识码，各Protocol节点的id属性的值各不相同；

type属性，用于表示Protocol节点的数据类型，由于单层帧由字段和数据区组成，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

next属性，用于表示上层协议的协议标识码，对于协议格式符合单层帧格式的协议或应用层协议，不存在上层协议，所以将该属性设置为none；对于协议格式符合多层帧格式的协议，由协议内部的某个字段指示得到，此时next属性存储用于表示上层协议的字段名称；

last属性，用于表示该层协议的下层协议的协议标识码；

direction属性，用于表示解析该协议的起始位置，有两个可选值，分别是front和tail，当direction属性值为front时，表示从数据报文的头部开始解析，当direction属性值为tail时，表示从数据报文的尾部开始解析。

Field标签，用于表示协议中的字段；

进一步的，Field标签具有属性：

name属性，用于表示字段名称；

type属性，用于表示字段类型，同时作为字段的单位，由于字段直接存储数据，所以type的属性值只能是byte或bit；

length属性，用于表示字段长度，为确定值；

display属性，用于表示解析后字段的显示方式；

Option标签，用于表示协议中的可选字段的开始；

进一步的，Option标签具有属性：

condition属性，用于表示判断是否存在选项区的字段名称；

type属性，用于表示Option节点的数据类型，由于选项区中包含字段和数据区，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

Data标签，配合Item标签使用，用于表示协议内部的数据区的开始；

进一步的，Data标签具有属性：

type属性，用于表示Data节点的数据类型，由于Data标签表示整个数据区，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

length属性，用于表示数据区中所有数据项的长度和，该属性值为协议内部表示数据区长度的字段值；

Item标签，必须与Data标签配合使用，用于表示数据区中的每个数据项；

进一步的，Item标签具有属性：

type属性，用于表示数据项类型，同时作为数据项的单位，由于数据项直接存储数据，所以type的属性值只能是byte或bit；

length属性，用于表示数据项的长度，为确定值；

display属性，用于表示解析后数据项的显示方式。

所述的direction属性用于指示解析数据报文的起始位置和方向，适用于解析一些数据区在前、字段在后的符合单层帧特点的工业通信协议。

如此的设计可以满足绝大部分的使用场景。

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

以Modbus TCP协议举例，完整的通信报文格式见图4，报文中各部分的定义如下表1：

表1

根据步骤S1，该报文除数据区外的部分由Modbus TCP首部、TCP首部、IP首部和Ethernet协议首部组合而成，同时，Modbus TCP首部、TCP首部、IP首部和Ethernet协议首部又由多个字段组合而成，因此该报文符合多层帧的特点。

XML解析文档中包含4棵协议解析树，如图5所示，分别是Ethernet协议解析树、IP协议解析树、TCP协议解析树和Modbus TCP协议解析树，为每棵协议解析树分配唯一的协议标识码，协议名称与协议识别码的对应关系如表2所示。

协议名称(name)	协议识别码(id)
		Ethernet	0
IP	0X0800
		TCP	6
Modbus TCP	502

表2

以Ethernet协议为例，Ethernet协议除数据区外的部分为Ethernet协议首部，由字段组合而成。该首部包含3个字段，因此Protocol节点的type属性为block，表示该节点不直接存储数据，内部包含子节点；该协议的上层协议类型由内部“上层协议”字段指示，因此将Protocol节点的next属性设为“上层协议”字段名称；由于以太网首部已经是帧最前面的首部，因此表示下层协议的last属性设为空；由于该帧格式符合多层帧格式，所以默认解析方向为从头部向尾部解析；对于组成Ethernet协议首部的字段，以“目的MAC地址”字段为例，name属性为“dst_addr”，由于该字段直接存储数据，并且长度为6字节，因此type属性为byte，length属性值为6；display表示解析后“目的MAC地址”字段的显示方式。

以Modbus TCP为例说明数据区的描述方式。用于描述数据区的Data标签必须与用于描述数据区中数据项的Item标签配合使用。由于数据区由各个数据项组成，所以，Data标签的type属性为block，表示表示该节点不直接存储数据，内部包含子节点；length属性，用于表示数据区中所有数据项的长度和，由表示数据区长度的字段指示得到，在该例中，Modbus TCP的“length”字段表示“unit_id”字段长度、“function_code”字段长度和数据区长度的长度和，而数据区中包含“function_code”字段，所以length的属性值由length字段值减2得到。Item标签表示数据区中的数据项，直接存储数据，以功能码03为例，type属性根据需要设置为byte，length属性值为1，表示以1字节为单位读取数据项；display属性设置为Hex，表示以十六进制的方式显示解析结果中。该协议首部的其它字段和其它协议首部的字段的XML描述依此类推。

以解析Ethernet首部为例说明本方法的正确性，解析结果为：

dst_mac:E8:6A:64:84:94:AC

src_mac:44:37:E6:97:BD:B3

type:0X0800

上述实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，应该理解，有关领域的技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据协议报文的组成特点，将工业通信协议分成单层帧或多层帧的协议格式；

对于不同种工业通信协议，采用XML树状结构并根据协议格式，按照自定义的XML标签和属性对其进行描述，形成协议解析树，并保存于XML解析文档中；

加载XML解析文档到内存中，当解析某一工业通信协议的协议报文时，调用内存中的协议解析树，生成解析结果，完成工业通信协议的解析；

所述当解析某一工业通信协议的协议报文时，调用内存中的协议解析树，生成解析结果，包括以下步骤：

根据单层帧和多层帧的封装格式划分待解析工业通信协议，使用其对应协议格式的协议解析树对其进行解析；

当待解析工业通信协议的协议格式为单层帧格式时，根据协议解析树中Protocol节点中的direction属性确定待解析数据报文的起始位置，如果Protocol节点中的direction属性为front，则从数据报文头部开始，根据Protocol节点内部Field节点的顺序和属性描述，依次读取数据报文中的数据作为解析结果；如果Protocol标签中的direction属性为tail，则从数据报文尾部开始，根据Protocol节点内部Field节点的顺序和属性描述，反向依次读取数据报文中的数据作为解析结果；当待解析工业通信协议的协议格式为多层帧格式时，默认协议解析树中Protocol节点中的direction属性为front，从数据报文头部开始解析；

每次读取协议解析树中的Field节点时，如果待解析工业通信协议的协议格式为多层帧格式，则进一步判断Field节点的name属性中是否包含Protocol节点的next属性所表示的字符串，如果包含，则记录该Field节点对应的解析结果数值，将该数值与各协议解析树的协议标识码匹配，跳转至匹配成功的协议解析树，依照跳转后的协议解析树继续解析数据报文；如果待解析工业通信协议的协议格式为单层帧格式或为应用层协议，则默认next属性为none，表示无上层协议，不进行跳转。

2.根据权利要求1所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述单层帧的自定义封装格式为：字段1、字段2、……字段n、数据区，或数据区、字段1、字段2、……字段n。

3.根据权利要求1所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述的多层帧的自定义封装格式为：首部1、首部2、……、首部n、数据区。

4.根据权利要求1所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述的XML解析文档中的每个协议具有唯一的协议标识码。

5.根据权利要求1所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述自定义的XML标签包括：

Protocol标签，用于表示待解析的工业通信协议；

Field标签，用于表示工业通信协议中的字段；

Option标签，用于表示协议中的可选字段的开始；

Data标签，配合Item标签使用，用于表示协议内部的数据区的开始；

Item标签，配合Data标签使用，用于表示数据区中的每个数据项。

6.根据权利要求5所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述Protocol标签具有的属性包括：

name属性，用于表示工业通信协议名称；

id属性，用于表示协议标识码，各Protocol节点的id属性的值各不相同；type属性，用于表示Protocol节点的数据类型；

next属性，用于表示当前层协议的上层协议的协议标识码，对于协议格式符合单层帧格式的协议或应用层协议，表示不存在上层协议，将该属性设置为none；对于协议格式符合多层帧格式的协议，由协议内部的某个字段指示得到，此时next属性存储用于表示上层协议的字段名称；

last属性，用于表示当前层协议的下层协议的协议标识码；

direction属性，用于表示解析当前协议的起始位置，属性值为front或tail，当direction属性值为front时，表示从数据报文的头部开始解析，当direction属性值为tail时，表示从数据报文的尾部开始解析。

7.根据权利要求5所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述Field标签具有的属性包括：

name属性，用于表示字段名称；

type属性，用于表示字段类型，同时作为字段的单位；

length属性，用于表示字段长度；

display属性，用于表示解析后字段的显示方式。

8.根据权利要求5所述的一种多工业通信协议自适应快速解析方法，其特征在于，所述Option标签具有的属性包括：

condition属性，用于表示判断是否存在选项区的字段名称；

type属性，用于表示Option节点的数据类型，由于选项区中包含字段和数据区，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

所述Data标签具有的属性包括：

type属性，用于表示Data节点的数据类型，由于Data标签表示整个数据区，所以将该属性设置为block，表示该节点包含子节点，不直接存储数据；

length属性，用于表示数据区中所有数据项的长度和，该属性值为工业通信协议内部表示数据区长度的字段值；

所述Item标签具有的属性包括：

type属性，用于表示数据项类型，同时作为数据项的单位，由于数据项直接存储数据，所以type的属性值为byte或bit；

length属性，用于表示数据项的长度；

display属性，用于表示解析后数据项的显示方式。