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賽遠(yuǎn)基于S-Link遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方法及系統(tǒng)正式獲得國家發(fā)明專利證書

http://www.moduwu.com 2013-05-10 14:34 來源：深圳市賽遠(yuǎn)自動化系統(tǒng)有限公司

　　近日，賽遠(yuǎn)自動化的基于S-Link和VLAN技術(shù)的遠(yuǎn)程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方法及系統(tǒng)(專利號：ZL 201110000683.7)正式獲得國家發(fā)明專利證書。

　　一種基于S-Link和VLAN技術(shù)的遠(yuǎn)程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方法及系統(tǒng)，方法包括S-Link協(xié)議和虛擬局域網(wǎng)VLAN，其中：A想把一段明文通過雙鑰加密的技術(shù)發(fā)送給B，B有一對公鑰和私鑰，那么加密解密的過程如下：B將B的公開密鑰傳送給A；A用B的公開密鑰加密A的消息，然后傳送給B；B用B的私人密鑰解密A的消息；反之，B要將明文發(fā)送給A，過程如下：A收到B的明文；A的私鑰解密；A的公鑰加密；B收到的A明文。系統(tǒng)包括管理計算機、服務(wù)器、遠(yuǎn)程安全通訊模塊、3G通訊模塊、PLC主站、PLC從站、攝像頭、變頻器、多功能面板HMI、Internet互聯(lián)網(wǎng)。

1、通過S-Link協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的安全性和完整性

在Internet的傳遞中，數(shù)據(jù)多采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP，Internet Protocol，網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議)是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議群（Internet Protocol Suite ，IPS）中眾多通信協(xié)議中的一個，也是其中最重要的一個。但是，IP協(xié)議是一個不可靠的傳輸機制，IP協(xié)議不承擔(dān)在數(shù)據(jù)源主機和目的主機間建立連接的責(zé)任，只負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)源主機建立數(shù)據(jù)報并發(fā)送出去的工作，目標(biāo)主機收到數(shù)據(jù)報后不需要向發(fā)送源主機提交確認(rèn)信息，IP協(xié)議會盡量確保目標(biāo)主機能夠獲得發(fā)送給它的數(shù)據(jù)報，但是并不是絕對保證。

在Internet的通信協(xié)議中，可靠的數(shù)據(jù)傳輸是由TCP協(xié)議（Transfer Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）來保證的。TCP(Transfer Control Protocol) 是專門設(shè)計用于在不可靠的 Internet 上提供可靠的、端到端的字節(jié)流通信的協(xié)議。 Internet 不同于一個單獨的網(wǎng)絡(luò)，不同部分可能具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、帶寬、延遲、分組大小以及其它特性。 TCP 被設(shè)計成能動態(tài)滿足 Internet 的要求，并且足以健壯地面對多種出錯。

TCP/IP技術(shù)是最常見的一種面向連接的傳輸方式，但是在安全性方面，由于數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)格式，所以無法保證其安全性，任何在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均可以被攔截后解密并可能產(chǎn)生新的偽數(shù)據(jù)繼續(xù)傳遞，從而對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備控制器產(chǎn)生錯誤的指令。

在保證像信息的機密性、真實性、完整性這些必要的信息安全中，公鑰加密技術(shù)扮演著非常重要的角色。為了增強互聯(lián)網(wǎng)的安全機制，主要采用防火墻技術(shù)、公開密鑰加密技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)、數(shù)字簽名、數(shù)字時間戳技術(shù)、身份認(rèn)證和安全協(xié)議等。

上述常用的安全技術(shù)，由于和工業(yè)現(xiàn)場總線的機制不同，對于現(xiàn)場總線的實時性和完整性無法保證，存在打包和解包的協(xié)議差異，需要不斷重新握手，容易造成通訊丟包，容易造成協(xié)議的中斷，不適合采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行傳輸。

S-Link協(xié)議正是基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的不通用性，以及工業(yè)現(xiàn)場總線的特殊要求，以協(xié)議轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確和安全性為首要目標(biāo)的一種非公開密鑰方式的專用協(xié)議，除了支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議外，也支持工業(yè)實時以太網(wǎng)如西門子的PROFINET，EtherCAT等在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸。

如西門子的主要最新一代現(xiàn)場總線PROFINET，是由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動化領(lǐng)域的熱點話題，并且，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有投資。作為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的重要組成部分，PROFINET是完全開放的協(xié)議。

而EtherCAT 是開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。EtherCAT主張"以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)" 。它是一個開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議（最惠國待遇系統(tǒng)局域網(wǎng)），在一個工業(yè)環(huán)境，特別是對工廠和其他制造業(yè)的關(guān)注，其中利用機器人和其他裝備線上的技術(shù)。EtherCAT是IEC規(guī)范(IEC/PAS 62407)。

S-Link協(xié)議基于應(yīng)用層，是公鑰和私鑰結(jié)合使用的方式進(jìn)行加密，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的安全加密傳輸，符合IEC 61748-3標(biāo)準(zhǔn)中的FSCP 12（功能安全通訊設(shè)備行規(guī)）。

加密和解密是采用不同的密鑰（公開密鑰），也就是非對稱密鑰密碼系統(tǒng)，每個通信方均需要兩個密鑰，即公鑰和私鑰，這兩把密鑰可以互為加解密。公鑰是公開的，不需要保密，而私鑰是由雙方通訊設(shè)備持有。發(fā)送方通過使用接收方的公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作，然后數(shù)據(jù)接收方使用自己的私鑰就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。接收方通過解密操作就能知道數(shù)據(jù)是否完整傳輸，如果能夠使用自己的私鑰解密數(shù)據(jù)，說明數(shù)據(jù)是真實的，否則傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能在傳輸過程中被篡改。

本質(zhì)上私鑰加密體制和公鑰加密體制的沒有任何區(qū)別，定義了一個私鑰的加密體制以私鑰E 加密，公鑰D 解密。兩個定義的不同在于安全定義的建立中，在一個公鑰加密體制中，攻擊者或“攻擊算法”是給定E，作為附加的輸出；這里攻擊者沒有私鑰體制E。

S-Link基于公開密鑰的加密過程，兩個站點A和B，A想把一段明文通過雙鑰加密的技術(shù)發(fā)送給B，B有一對公鑰和私鑰，那么加密解密的過程如下：

B將B的公開密鑰傳送給A；

A用B的公開密鑰加密A的消息，然后傳送給B；

B用B的私人密鑰解密A的消息。

反之，B要將明文發(fā)送給A，過程如下：

S-Link采用的算法為RSA算法，密鑰為128位加密，保證了工業(yè)數(shù)據(jù)的安全。

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，S-Link采用了小包數(shù)據(jù)分發(fā)以及嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗機制，各個數(shù)據(jù)包在被確認(rèn)校驗正確后，將組成一個完整的數(shù)據(jù)包，并且依據(jù)工業(yè)實時以太網(wǎng)的格式，傳遞給具有目標(biāo)IP地址的設(shè)備。

S-Link相對于無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流的TCP/IP 協(xié)議，S-Link區(qū)分了結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流，使用數(shù)據(jù)流符合工業(yè)以太網(wǎng)總線的格式，在傳輸之前就已經(jīng)進(jìn)行了規(guī)劃。

S-Link定義了一個重發(fā)機制，采用一種 “帶重傳功能的肯定確認(rèn)”的技術(shù)作為提供可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的方式。這項技術(shù)要求接收方收到數(shù)據(jù)之后向源站回送確認(rèn)信息ACK。發(fā)送方對發(fā)出的每個分組都保存一份記錄，在發(fā)送下一個分組之前等待確認(rèn)信息。發(fā)送方還在送出分組的同時啟動一個定時器，并在定時器的定時期滿而確認(rèn)信息還沒有到達(dá)的情況下，重發(fā)剛才發(fā)出的分組。

(此處省去數(shù)千字......)

本發(fā)明具有的優(yōu)點是，通過基于S-Link和VLAN技術(shù)實現(xiàn)PLC程序級的遠(yuǎn)程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，將現(xiàn)場控制器、人機界面、變頻器等控制系統(tǒng)設(shè)備和本地的管理計算機實時互連，既可完成工業(yè)數(shù)據(jù)的實時通訊，也可以作為對現(xiàn)場工業(yè)控制設(shè)備程序級的控制，通過最為便利的互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程調(diào)試，遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大地降低了設(shè)備系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)成本。并且通過S-Link和VLAN技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性、實時性和完整性，確保了通過公共網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽亢头€(wěn)定。
本技術(shù)不同于以往的兩臺電腦遠(yuǎn)程桌面訪問的方式，所有的PLC等現(xiàn)場設(shè)備的軟件均在本地管理計算機上，而且連接到現(xiàn)場可以是無人值守就可完成。本技術(shù)也可以將現(xiàn)場的視頻信號實時傳回，可以做到如同在現(xiàn)場調(diào)試一樣，可以在很短的時間里就進(jìn)行在線的遠(yuǎn)程連接和遠(yuǎn)程診斷。
本發(fā)明不同于以往的VPN方式，通過基于S-Link和VLAN技術(shù)實現(xiàn)PLC程序級的遠(yuǎn)程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，在公共網(wǎng)絡(luò)上傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性、完整性、實時性得到了保證。
本發(fā)明還可以通過3G的公共網(wǎng)絡(luò)，做到遠(yuǎn)程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)搭建的快速和便利性，只要加上了3G上網(wǎng)通訊模塊，在需要遠(yuǎn)程通訊的時候，插上日常用的3G卡，就可以完成和遠(yuǎn)程的連接。不管是在設(shè)備端，還是在管理計算機端，均可以通過3G進(jìn)行連接，在3G信號覆蓋區(qū)域即可進(jìn)行隨時隨地的在線監(jiān)控，做到對系統(tǒng)的實時響應(yīng)和維護(hù)。
由于可編程控制PLC的應(yīng)用具有相當(dāng)廣泛性，所以遠(yuǎn)程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在各種使用可編程控制器PLC的場合，具有相當(dāng)大的應(yīng)用空間，如在工程機械、風(fēng)力發(fā)電、水泥攪拌站、水處理泵站、港口機械、糧站、隧道、灌溉設(shè)備、灌裝機、鋁材設(shè)備、物流倉庫、油井控制、換熱站供熱采集、水文水資源測報系統(tǒng)、雨情雨量測報系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊控制中均可以使用。

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