CN116360301B - 一种工业控制网络流量采集、解析系统及方法 - Google Patents

一种工业控制网络流量采集、解析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业控制网络流量采集、解析系统及方法。该系统包括：多个采集子模块，用于采集各工控网络的流量数据，并根据存储的解析策略对所述流量数据进行处理；集中处理模块，与各所述采集子模块连接，用于接收所述流量数据以及各所述采集子模块的负载信息，并根据所述流量数据以及所述负载信息确定解析策略发送至各所述采集子模块。本发明通过集中处理模块解决现有工业现场流量采集方案难以应对工业局部现场网络分散，总线端口及标准不一的场景；解决现有工业现场应对多个子网，只能扩展物理接口或者部署多台重复设备，导致成本增加的问题；解决现有工业网络流量采集与解析性能低，或者对采集设备性能要求较高的问题。

Description

一种工业控制网络流量采集、解析系统及方法
技术领域
本发明涉及工业控制网络技术领域，特别是涉及一种工业控制网络流量采集、解析系统及方法。
背景技术
当前为应对工业控制网络分散、组网接口多样的场景，最常用的方法是采集处理模块朝着通用化方向开发，即携带越来越多种类的接口，然后在每个子网中分别部署相同的设备进行采集。或者利用各种协议接口转换网关，将各个不同总线接口的子网转换到相同的协议中，再由中央处理模块进行采集。
当前的方式存在以下缺点：
(1)采集处理模块由于需要具备越来越多的接口，成本增高；
(2)每个子网都要部署相同的采集处理设备，部署成本高；
(3)部分网络性能空闲时流量少，直接部署整套设备，大部分时间性能都是闲置，浪费成本；
(4)每个子网都要布线到网关，网关再布线或者接入通用网络，布线成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种工业控制网络流量采集、解析系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种工业控制网络流量采集、解析系统，包括：
多个采集子模块，用于采集各工控网络的流量数据，并根据存储的解析策略对所述流量数据进行处理；
集中处理模块，与各所述采集子模块连接，用于接收所述流量数据以及各所述采集子模块的负载信息，并根据所述流量数据以及所述负载信息确定解析策略发送至各所述采集子模块。
可选地，所述采集子模块具有以太网标准接口以及RS485、RS232、CAN、Profibus、Ethernet中的一个或者多个接口。
可选地，所述集中处理模块至少有一个以太网接口。
可选地，所述集中处理模块为服务器、工控机或pc。
本发明还提供了一种工业控制网络流量采集、解析方法，所述方法应用于上述工业控制网络流量采集、解析系统，所述方法包括：
采集子模块采集工控网络的流量数据；
判断所述采集子模块中是否存储有解析策略；
若有，则采集子模块根据所述解析策略对所述流量数据进行处理，并将处理后的流量数据发送至集中处理模块；
若没有，则采集子模块将所述流量数据以及采集子模块的负载信息发送至所述集中处理模块，所述集中处理模块根据所述流量数据以及所述负载信息制定解析策略，并下发到对应的采集子模块中。
可选地，采集子模块根据所述解析策略对所述流量数据进行处理，具体包括：
过滤非关注协议或非关注设备地址的流量数据；
按照协议对所述流量数据进行分段处理；
对所述流量数据进行去重处理；
对校验机制错误的流量数据进行过滤处理。
可选地，所述集中处理模块根据所述流量数据以及所述负载信息制定解析策略，并下发到对应的采集子模块中，具体包括：
当所述流量信息未超过所述负载信息，则所述集中处理模块下发完整的解析策略到对应的采集子模块中；
当所述流量信息超过所述负载信息，则所述集中处理模块下发部分解析策略到对应的采集子模块中；所述采集子模块根据所述部分解析策略仅对所述流量数据进行过滤处理。
可选地，还包括：
集中处理模块还根据多个子模块的流量数据和负载信息，将负载过高的采集子模块需要处理的流量数据下发至其他负载余量多的采集子模块中；所述负载过高表示所述流量信息超过所述负载信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的工业控制网络流量采集、解析系统，包括：多个采集子模块，用于采集各工控网络的流量数据，并根据存储的解析策略对所述流量数据进行处理；集中处理模块，与各所述采集子模块连接，用于接收所述流量数据以及各所述采集子模块的负载信息，并根据所述流量数据以及所述负载信息确定解析策略发送至各所述采集子模块。本发明通过集中处理模块解决现有工业现场流量采集方案难以应对工业局部现场网络分散，总线端口及标准不一的场景；解决现有工业现场应对多个子网，只能扩展物理接口或者部署多台重复设备，导致成本增加的问题；解决现有工业网络流量采集与解析性能低，或者对采集设备性能要求较高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的工业控制网络流量采集、解析系统的结构示意图；
图2为本发明提供的采集子模块与集中处理模块网络示意图；
图3为本发明提供的流量数据处理过程示意图；
图4为本发明提供的解析策略下发过程示意图；
图5为本发明提供的多个采集子模块协同工作示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种工业控制网络流量采集、解析系统，包括：多个采集子模块和集中处理模块。
多个采集子模块用于采集各工控网络的流量数据，并根据存储的解析策略对流量数据进行处理。采集子模块为小型设备，性能要求低，接口具有以太网标准接口以及RS485、RS232、CAN、Profibus、Ethernet等接口的一个或者多个。本身固定程序，不提供二次编程功能。区别于直接采集处理设备以及协议转换的网关设备。
集中处理模块与各采集子模块连接，用于接收流量数据以及各采集子模块的负载信息，并根据流量数据以及负载信息确定解析策略发送至各采集子模块。集中处理模块为中大型通用设备，无需针对工控网络的接口差异性定制，可以是服务器、工控机、pc或者任何其他具备处理能力的设备。设备至少有一个以太网接口，可以进行二次编程或者配置化开发。
如图2所示，在各个工控网络中安装对应接口的采集子模块，将对应接口接入网络，令其可以捕获到网络中的所有流量数据；RS485、CAN等网络直接接入总线即可，Ethernet等网络则可以进行流量镜像的方式捕获全部流量数据。对接集中处理模块的Ethernet接口则直接接入企业网络或者独立采集网络皆可。
本发明拆分采集模块与处理模块，这样采集模块即可小型化、低成本化，并且可以开发为每个模块具有独特的接口，这样可以灵活的接入各种各样的工业网络中，集中处理模块则进行通用化，这样处理模块可以是普通的pc主机、通用服务器、工控机等常见设备，能够大大降低采集处理设备的开发成本。
本发明由集中处理模块采用任务下发方式进行管理，根据采集子模块的负载实时调整策略，从而在有限硬件条件下充分利用每个设备的性能，有效避免水桶效应。
针对上述工业控制网络流量采集、解析系统，本发明还提供了一种工业控制网络流量采集、解析方法，包括：
步骤1：采集子模块采集工控网络的流量数据。
步骤2：判断采集子模块中是否存储有解析策略。
步骤3：若有，则采集子模块根据解析策略对流量数据进行处理，并将处理后的流量数据发送至集中处理模块。
步骤4：若没有，则采集子模块将流量数据以及采集子模块的负载信息发送至集中处理模块，集中处理模块根据流量数据以及负载信息制定解析策略，并下发到对应的采集子模块中。
具体运行流程如下：
采集子模块捕获到工控网络流量，检查本地是否已有采集策略，若有采集策略则按照采集策略对数据进行采集处理后上报至集中处理模块；若无采集策略则将全部数据上报至集中处理模块。
集中处理模块第一次收到子模块上报的原始流量，则进行流量的协议解析与策略分析工作，如识别协议类型，解析出协议所有字段如寄存器、控制点位、内存块等信息。每种可解析的协议都内置对应一个数据的过滤与裁剪策略，此时将此策略下发到对应的采集子模块中。
集中处理模块的协议解析过程为现有成熟技术，主要原理为按照TCP/IP协议规范格式分别提取出五元信息(源ip、目的ip、源端口、目的端口、传输协议)与负载有效数据，结合目的端口与负载有效数据判断传输的应用层协议(如modbus、s7comm、omronfins等)，然后依照应用层协议的格式(如特定偏移与长度的方式)，提取应用层协议各字段(如功能码、寄存器地址、寄存器值等)。
集中处理模块在完成协议解析工作后，保存对应采集子模块的对应协议名以及采集子模块上送的实时负载信息。然后查找本地保存的对应应用层协议的解析策略，解析策略即为应用层的数据切割策略，按照对应协议的偏移方式，将数据做对应切块处理(不做复杂解析提取与数据类型转换等)，本地保存预置的数据切割深度可以根据子模块上送的负载信息进行提取，如图3所示。切割后的数据按照tlv格式直接上报至集中处理模块，集中处理模块即可快速提取转换出实际应用层协议字段。
采集子模块接收到下发的采集解析信息，则根据下发的解析策略对数据进行处理，包括但不限于以下处理：
过滤非关注协议的数据或者非关注设备地址的数据；
按照协议对数据进行简单分段处理，如按字节序拆分出设备地址、寄存器地址等信息；
对重复通讯数据进行去重等处理；
对CRC等校验机制错误数据进行过滤处理。
如图4所示，解析策略下发的具体过程如下：
采集子模块会实时采集工控网络的流量数据与负载信息上报至集中处理模块，若流量输入未达到负载阈值，则下发完整解析策略到采集子模块，采集子模块将数据完成解析后上报结果到集中处理模块。若输入流量达到阈值，则调整下发策略，只做数据过滤后即将原始数据上报至集中处理模块。
集中处理模块实时接收采集子模块上送的负载状态参数来实时调整下发的策略，若判断采集子模块负载过高，则会转移解析任务到自身，若判断采集子模块负载余量较多，则会将解析策略下发至采集子模块，由采集子模块完成解析工作。即本发明可根据策略实时分发到子模块或者集中处理模块进行处理。
当集中处理模块所接网络中有多个采集子模块时，可存在以下分布式调度流程如图5所示：
当采集子模块1自身负载达到阈值，在上报至集中处理模块后，若网络中采集子模块2负载低于设定阈值(也已实时上报至集中处理模块)，则集中处理模块下发到采集子模块1的策略会将处理目标定位到空闲的采集子模块2，由采集子模块2对采集子模块1的原始数据按照策略进行处理上送。如何选择到低负载的采集子模块2不在本发明重点讨论内容，任意排序或者随机选择算法皆可。
本发明通过集中处理模块解决现有工业现场流量采集方案难以应对工业局部现场网络分散，总线端口及标准不一的场景；解决现有工业现场应对多个子网，只能扩展物理接口或者部署多台重复设备，导致成本增加的问题；解决现有工业网络流量采集与解析性能低，或者对采集设备性能要求较高的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种工业控制网络流量采集、解析系统，其特征在于，包括：
多个采集子模块，用于采集各工控网络的流量数据，并根据存储的解析策略对所述流量数据进行处理；采集子模块捕获到工控网络流量，检查本地是否已有解析策略，若有解析策略则按照解析策略对数据进行采集处理后上报至集中处理模块；若无解析策略则将全部数据上报至集中处理模块；采集子模块根据所述解析策略对所述流量数据进行处理，具体包括：过滤非关注协议或非关注设备地址的流量数据；按照协议对所述流量数据进行分段处理；对所述流量数据进行去重处理；对校验机制错误的流量数据进行过滤处理；
集中处理模块，与各所述采集子模块连接，用于接收所述流量数据以及各所述采集子模块的负载信息，并根据所述流量数据以及所述负载信息确定解析策略发送至各所述采集子模块；集中处理模块根据多个子模块的流量数据和负载信息，将负载过高的采集子模块需要处理的流量数据下发至其他负载余量多的采集子模块中；所述负载过高表示所述流量数据超过所述负载信息；
采集子模块会实时采集工控网络的流量数据与负载信息上报至集中处理模块，若流量数据未超过负载信息，则集中处理模块下发完整解析策略到采集子模块，采集子模块将数据完成解析后上报结果到集中处理模块；若流量数据超过负载信息，则集中处理模块调整下发策略，采集子模块只对流量数据过滤后上报至集中处理模块。
2.根据权利要求1所述的工业控制网络流量采集、解析系统，其特征在于，所述采集子模块具有以太网标准接口以及RS485、RS232、CAN、Profibus、Ethernet中的一个或者多个接口。
3.根据权利要求1所述的工业控制网络流量采集、解析系统，其特征在于，所述集中处理模块至少有一个以太网接口。
4.根据权利要求1所述的工业控制网络流量采集、解析系统，其特征在于，所述集中处理模块为服务器、工控机或pc。
5.一种工业控制网络流量采集、解析方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4任一项所述的工业控制网络流量采集、解析系统，所述方法包括：
采集子模块采集工控网络的流量数据；
判断所述采集子模块中是否存储有解析策略；
若有，则采集子模块根据所述解析策略对所述流量数据进行处理，并将处理后的流量数据发送至集中处理模块；采集子模块根据所述解析策略对所述流量数据进行处理，具体包括：过滤非关注协议或非关注设备地址的流量数据按照协议对所述流量数据进行分段处理；对所述流量数据进行去重处理；对校验机制错误的流量数据进行过滤处理；
若没有，则采集子模块将所述流量数据以及采集子模块的负载信息发送至所述集中处理模块，所述集中处理模块根据所述流量数据以及所述负载信息制定解析策略，并下发到对应的采集子模块中；
集中处理模块还根据多个子模块的流量数据和负载信息，将负载过高的采集子模块需要处理的流量数据下发至其他负载余量多的采集子模块中；所述负载过高表示所述流量数据超过所述负载信息；
其中，所述集中处理模块根据所述流量数据以及所述负载信息制定解析策略，并下发到对应的采集子模块中，具体包括：
当所述流量数据未超过所述负载信息，则所述集中处理模块下发完整的解析策略到对应的采集子模块中；
当所述流量数据超过所述负载信息，则所述集中处理模块下发部分解析策略到对应的采集子模块中；所述采集子模块根据所述部分解析策略仅对所述流量数据进行过滤处理。
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