CN117579709B - 一种工控网络通信协议体系构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工控技术领域，具体涉及一种工控网络通信协议体系构建方法，包括：构建工控通信协议；选定初始协议，将初始协议的帧头和帧尾作为初始数据帧的帧头和帧尾；设定激活顺序；将剩余的工控通信协议的帧头和帧尾分别设置在帧数据的前后端，设置顺序与激活顺序相对应，以构成初始数据帧；当工控设备当前使用的协议无法识别帧头和/或帧尾时，按激活顺序启用下一工控通信协议，去掉当前数据帧的帧头和帧尾，提取下一级帧头和帧尾并将其作为新的帧头和帧尾，以更新数据帧。其能够提高本地工控网络体系对外网入侵的抵抗性，并提高运行稳定性和可靠性，降低了瘫痪风险，并有助于对故障点进行定位，同时能辅助性地对网络威胁性进行评估。

Description

一种工控网络通信协议体系构建方法

技术领域

本发明涉及工控技术领域，具体而言，涉及一种工控网络通信协议体系构建方法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，网络技术早已渗透进各行各业，除了使用最为广泛的互联网外，网络技术还广泛存在于工控领域。

目前，随着工控网络协议的发展，工控网络协议的优化迭代速度越来越快，可供选择和使用的工控网络协议越来越多。

与传统的生产方式不同，为了便于快速获取最新的工控网络协议，工控设备所在的工控网络系统与外部网络系统会建立连接，以便于工控设备的工控网络协议及其他软件体系能够及时更新。

但是这也会为工控网络系统的安全性带来一定的风险，若工控网络系统被黑客破坏或攻陷，很容易造成工控设备的大面积停工和故障，加上自动化工控设备的使用规模往往较大，其造成的直接经济损失会非常大。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工控网络通信协议体系构建方法，其能够有效地提高本地工控网络体系对外网入侵的抵抗性和防控性，并同时提高了本地工控网络体系的运行稳定性和可靠性，大大降低了本地工控网络体系瘫痪的风险，并有助于对故障点进行定位，同时能够辅助性地对外部网络威胁的威胁性进行初步评估。

本发明的实施例是这样实现的：

一种工控网络通信协议体系构建方法，其包括如下步骤：

P1、构建多个工控通信协议；

P2、从工控通信协议中选定初始协议，将初始协议的帧头和帧尾作为初始数据帧的帧头和帧尾；

P3、对剩余的工控通信协议设定激活顺序；

P4、将剩余的工控通信协议的帧头和帧尾分别设置在帧数据的前后端，设置顺序与激活顺序相对应，以构成初始数据帧；

P5、在工控设备中保存构建的全部工控通信协议，并将初始协议作为当前使用的协议；

P6、当工控设备当前使用的协议无法识别帧头和/或帧尾时，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉当前数据帧的帧头和帧尾，提取当前数据帧中的下一级帧头和帧尾并将其作为新的帧头和帧尾，以更新数据帧；

P7、利用新启用的工控通信协议对更新后的数据帧进行传输。

进一步的，在步骤P1中，对于构建的工控通信协议，相互之间采用不同的帧头和不同的帧尾。

进一步的，在步骤P1中，对于构建的工控通信协议，相互之间采用不同的帧头和相同的帧尾。

进一步的，在步骤P4中，将剩余的工控通信协议的帧头设置在帧数据的前端，设置顺序与激活顺序相对应，以构成初始数据帧；

在步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别帧头时，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉当前数据帧的帧头，提取当前数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧。

进一步的，在步骤P4中，将剩余的工控通信协议的帧头同时设置在帧数据的前端和后端，设置顺序与激活顺序相对应，以构成初始数据帧；

在步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别初始数据帧的帧头时，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉初始数据帧的帧头，提取初始数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧；

在步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别初始数据帧之后的数据帧的帧头时，将当前的帧头和数据帧另一端与其对应的帧头交换位置，继续传输数据帧；若仍无法识别帧头，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉当前帧头和数据帧另一端与其对应的帧头，提取数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧。

进一步的，工控网络通信协议体系构建方法还包括如下步骤：

P8、设置监控端，监控端用于实时获取各个工控设备当前启用的工控通信协议。

本发明实施例的技术方案的有益效果包括：

本发明实施例提供的工控网络通信协议体系构建方法能够有效地提高本地工控网络体系对外网入侵的抵抗性和防控性，并同时提高了本地工控网络体系的运行稳定性和可靠性，大大降低了本地工控网络体系瘫痪的风险，并有助于对故障点进行定位，同时能够辅助性地对外部网络威胁的威胁性进行初步评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的工控网络通信协议体系构建方法中的初始数据帧的第一种构成示意图；

图2为图1中的初始数据帧被更新后形成的新数据帧的构成示意图；

图3为数据流在工控系统中各个工控设备中传递的一种示例性示意图；

图4为初始数据帧的第二种构成示意图；

图5为初始数据帧的第三种构成示意图；

图6为调换对应的帧头时的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

可以理解，各步骤的操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本实施例提供一种工控网络通信协议体系构建方法，其包括如下步骤：

P1、构建多个工控通信协议（例如分别构建了协议1、协议2、协议3和协议4，但不限于此，所构建的协议数量可以根据实际需要灵活调整）；

P2、从工控通信协议中选定初始协议，将初始协议的帧头和帧尾作为初始数据帧的帧头和帧尾（例如，协议1对应的帧头和帧尾分别是帧头1和帧尾1，协议2对应的帧头和帧尾分别是帧头2和帧尾2，协议3对应的帧头和帧尾分别是帧头3和帧尾3，协议4对应的帧头和帧尾分别是帧头4和帧尾4。将协议1选定为初始协议的话，那么帧头1和帧尾1就分别是初始数据帧的帧头和帧尾）；

P3、对剩余的工控通信协议设定激活顺序（例如将剩余的协议2、协议3和协议4的激活顺序设定为：协议2→协议3→协议4）；

P4、将剩余的工控通信协议的帧头和帧尾分别设置在帧数据的前后端，设置顺序与激活顺序相对应，以构成初始数据帧（按照前面的激活顺序协议2→协议3→协议4，将帧头2和帧尾2、帧头3和帧尾3、帧头4和帧尾4按对应顺序设置在帧数据的前后端，如图1所示，即先把帧头4和帧尾4匹配到帧数据的前后端，再把帧头3和帧尾3分别匹配到帧头4的前端和帧尾4的后端，最后把帧头2和帧尾2分别匹配到帧头3的前端和帧尾3的后端）；

P5、在工控设备中保存构建的全部工控通信协议，并将初始协议作为当前使用的协议（即协议1、协议2、协议3和协议4均通过时保存于工控控设备中，协议1为初始协议，那么工控设备中当前使用的就是协议1）；

P6、当工控设备当前使用的协议（即协议1）无法识别帧头和/或帧尾时，按激活顺序启用下一个工控通信协议（即协议2），并去掉当前数据帧的帧头（帧头1）和帧尾（帧尾1），提取当前数据帧中的下一级帧头（帧头2）和帧尾（帧尾2）并将其作为新的帧头和帧尾，以更新数据帧（新的数据帧如图2所示）；

P7、利用新启用的工控通信协议（协议2）对更新后的数据帧（如图2中的数据帧）进行传输。

通过以上设计，数据帧在通过工控通信协议传输的过程中，若帧头和/或帧尾损坏，也可以在故障点通过启用新的工控通信协议完成接下来的数据传输工作，不会因为传输体系损坏而导致整体的传输进程瘫痪。

如图3所示，可以通过最终的数据传输情况来对整个工控系统进行评估，可评估得内容至少包括：

（1）网络故障发生点，即执行了协议切换的设备节点。

（2）网络故障破坏程度（威胁性），通常来说，最后的工控设备所使用的工控通信协议在激活顺序中排名越靠后，网络故障洞穿的工控通信协议的层数越多，破坏性（威胁性）越强。

根据初步评估的破坏性（威胁性），可以作为管理人员的安全评估参考，若破坏性（威胁性）较强，可以考虑直接关闭与外网的通讯接口，并进行全面排查，以避免损失进一步扩大。

总体而言，本实施例提供的工控网络通信协议体系构建方法能够有效地提高本地工控网络体系对外网入侵的抵抗性和防控性，并同时提高了本地工控网络体系的运行稳定性和可靠性，大大降低了本地工控网络体系瘫痪的风险，并有助于对故障点进行定位，同时能够辅助性地对外部网络威胁的威胁性进行初步评估。

需要说明的是，在以上的步骤P1中，对于构建的工控通信协议，相互之间采用的是不同的帧头和不同的帧尾。

可选的，在步骤P1中，对于构建的工控通信协议，相互之间还可以采用不同的帧头和相同的帧尾，如图4所示。该结构更适合帧头容易损坏的工控系统，不仅保留了全部功能，而且使得数据帧更加轻量化。

此时，相适应的，在步骤P4中，只需将剩余的工控通信协议的帧头设置在帧数据的前端，设置顺序与激活顺序相对应，就构成了初始数据帧；

而在步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别帧头时，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉当前数据帧的帧头，提取当前数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，就完成了数据帧的更新。整体来说，更加简洁高效。

作为另一种可选的实施方式，在步骤P4中，还可以将剩余的工控通信协议的帧头同时设置在帧数据的前端和后端，设置顺序与激活顺序相对应，以构成初始数据帧，如图5所示。

相对应的，此种方式下，在步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别初始数据帧的帧头时，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉初始数据帧的帧头，提取初始数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧；

在步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别初始数据帧之后的数据帧的帧头时，将当前的帧头和数据帧另一端与其对应的帧头交换位置，如图6所示，继续传输数据帧。若仍无法识别帧头，按激活顺序启用下一个工控通信协议，并去掉当前帧头和数据帧另一端与其对应的帧头，提取数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧。

为了能够更方便地对整个工控系统中数据传输情况进行监管，进一步的，工控网络通信协议体系构建方法还包括如下步骤：P8、设置监控端，监控端用于实时获取各个工控设备当前启用的工控通信协议。

作为可选的，在步骤P1中，在构建多个工控通信协议时，可以采用以下方式，但不限于此。可以理解的，构建工控通信协议的具体方式可以根据实际需要灵活调整，以下内容仅作示例性说明。

具体的，在构建多个工控通信协议时，包括：数据帧构造、数据帧解析和链路层协议定义。

其中，数据帧构造包括如下步骤：

S11、选定分帧模式并构造帧头；

S12、从第一节数据帧开始，分配内存空间；

S13、填充数据到分配的内存空间中；

S14、根据选定的分帧模式构造帧尾。

需要说明的是，为了便于对构建的通信协议进行原型验证和测试，用户可以预先自定义数据帧格式、帧内的各个数据域格式、和测试数据，并保存于数据库中，接下来，就可以从数据库中获取当前测试的数据帧及帧内数据域的格式配置，来完成验证工作。

具体的，分帧模式包括：“帧头+帧尾”模式和“帧头+帧长”模式中的任意一者。

在步骤S11中，构造帧头时，若分帧模式为“帧头+帧尾”模式，则分配帧头所需的内存空间，并填充固定的帧头数据。若分帧模式为“帧头+帧长”模式，则分配帧头所需的内存空间，并填充固定的帧头数据，再分配帧长指定长度的内存空间。

在步骤S12中，若帧长度类型为固定长度，则分配等值的内存空间。若帧长度类型为可变长度，则先计算可变长部分的长度，将该可变长部分和定常部分的长度之和作为该节帧的总长度，并以此作为分配内存空间的依据。

对于一节数据帧只支持一个字段为变长字段的情况，可直接从用户的测试数据中计算出变长字段的长度。比如：该字段的长度为测试数据的长度。

在步骤S13中，填充的数据类型包括：固定字段、定长字段、长度字段、变长字段、本地地址类型字段、和CRC校验字段中的至少一者。

固定字段可以是自定义的固定值。

定长字段可以是指定字段的数据，也可以是定长的随机数据，还可以是上下文数据（例如：在构造响应报文时，需填写收到的请求报文中解析到的某个字段，以形成一一对应的关系）。

长度字段可以是帧的长度值。

变长字段可以是指定字段的数据。

本地地址类型字段可以是本地地址。

填充CRC校验字段时，可以是：根据预设的算法计算指定范围内的数据，并填充计算后的数据。一般在其他字段的数据都填充完之后，最后才来计算和填充这部分数据。

在步骤S14中，构造帧尾时，若分帧模式为“帧头+帧尾”模式，则分配帧尾所需的内存空间，并填充固定的帧尾数据。若分帧模式为“帧头+帧长”模式，则计算所有帧的长度，填充到帧头的帧长字段中。

进一步的，数据帧解析包括如下步骤：

S21、若分帧模式为“帧头+帧尾”模式，则验证帧尾所对应的字节，如果帧尾内容验证通过，则执行解析，如果帧尾内容验证不通过，则退出解析流程；

S22、若分帧模式为“帧头+帧长”模式，则验证报文长度是否匹配，如果帧长度与配置帧长匹配，则执行解析，如果帧长度与配置帧长不匹配，则退出解析流程。

示例性的，在解析过程中，包括但不限于此：从第一个字节开始，与数据库配置中的数据帧格式进行比较。

如果数据帧格式类型为固定字段，则比较数据内容是否一致，如果不一致，则退出解析流程。如果一致，则继续解析后续数据内容。

如果数据帧格式类型为本地地址字段，则与数据库中获取的本地地址比较，如果不一致，则退出解析流程。如果一致，则继续解析后续数据内容。

如果数据帧格式类型为定长字段，提取该字段的数据并保存到数据库中。

如果数据帧格式类型为长度字段，且剩余数据内容长度小于该字段的值，则退出解析流程。若剩余数据内容长度与该字段的值相同，提取长度值和后续的可变长字段内容并保存到数据库中。

如果数据帧格式类型为CRC校验字段，则根据自定义格式中定义的算法计算指定范围内的数据，与数据报文内容进行比较，如果不一致，则将错误信息保存到数据库中，继续解析后续数据内容。

进一步的，链路层协议定义包括如下步骤：

S31、预设协议名称和分帧模式；

S32、对设定的分帧模式设定帧长度类型和字段格式。

在步骤S32中，帧长度类型包括：固定长度和可变长度。若帧长度类型为固定长度，则设置帧长度值；若帧长度类型为可变长度，则设置帧长度范围。

在步骤S32中，字段格式包括：字段类型、字段长度和字段值。字段类型包括：固定字段、定长字段、长度字段、变长字段、本地地址类型字段、和CRC校验字段。

每种帧中包含的变长字段、长度字段、本地地址类型字段和CRC校验字段中任意一者的数量均小于或等于1。

各字段在帧结构中的先后顺序可调。

综上所述，本发明实施例提供的工控网络通信协议体系构建方法能够有效地提高本地工控网络体系对外网入侵的抵抗性和防控性，并同时提高了本地工控网络体系的运行稳定性和可靠性，大大降低了本地工控网络体系瘫痪的风险，并有助于对故障点进行定位，同时能够辅助性地对外部网络威胁的威胁性进行初步评估。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种工控网络通信协议体系构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

P1、构建多个工控通信协议；

P2、从所述工控通信协议中选定初始协议，将所述初始协议的帧头和帧尾作为初始数据帧的帧头和帧尾；

P3、对剩余的所述工控通信协议设定激活顺序；

P4、将剩余的所述工控通信协议的帧头和帧尾分别设置在帧数据的前后端，设置顺序与所述激活顺序相对应，以构成初始数据帧；

P5、在工控设备中保存构建的全部所述工控通信协议，并将所述初始协议作为当前使用的协议；

P6、当工控设备当前使用的协议无法识别帧头和/或帧尾时，按所述激活顺序启用下一个所述工控通信协议，并去掉当前数据帧的帧头和帧尾，提取当前数据帧中的下一级帧头和帧尾并将其作为新的帧头和帧尾，以更新数据帧；

P7、利用新启用的所述工控通信协议对更新后的数据帧进行传输。

2.根据权利要求1所述的工控网络通信协议体系构建方法，其特征在于，在所述步骤P1中，对于构建的所述工控通信协议，相互之间采用不同的帧头和不同的帧尾。

3.根据权利要求1所述的工控网络通信协议体系构建方法，其特征在于，在所述步骤P1中，对于构建的所述工控通信协议，相互之间采用不同的帧头和相同的帧尾。

4.根据权利要求3所述的工控网络通信协议体系构建方法，其特征在于，在所述步骤P4中，将剩余的所述工控通信协议的帧头设置在帧数据的前端，设置顺序与所述激活顺序相对应，以构成初始数据帧；

在所述步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别帧头时，按所述激活顺序启用下一个所述工控通信协议，并去掉当前数据帧的帧头，提取当前数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧。

5.根据权利要求3所述的工控网络通信协议体系构建方法，其特征在于，在所述步骤P4中，将剩余的所述工控通信协议的帧头同时设置在帧数据的前端和后端，设置顺序与所述激活顺序相对应，以构成初始数据帧；

在所述步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别所述初始数据帧的帧头时，按所述激活顺序启用下一个所述工控通信协议，并去掉初始数据帧的帧头，提取所述初始数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧；

在所述步骤P6中，当工控设备当前使用的协议无法识别所述初始数据帧之后的数据帧的帧头时，将当前的帧头和数据帧另一端与其对应的帧头交换位置，继续传输数据帧；若仍无法识别帧头，按所述激活顺序启用下一个所述工控通信协议，并去掉当前帧头和数据帧另一端与其对应的帧头，提取数据帧中的下一级帧头并将其作为新的帧头，以更新数据帧。

6.根据权利要求5所述的工控网络通信协议体系构建方法，其特征在于，所述工控网络通信协议体系构建方法还包括如下步骤：

P8、设置监控端，所述监控端用于实时获取各个工控设备当前启用的所述工控通信协议。