近日,賽遠自動化的基於S-Link和VLAN技術的遠程工業網絡監控的方法及係統(專利號:ZL 201110000683.7)正式獲得國家發明專利證書。
一種基於S-Link和VLAN技術的遠程工業網絡監控的方法及係統,方法包括S-Link協議和虛擬局域網VLAN,其中:A想把一段明文通過雙鑰加密的技術發送給B,B有一對公鑰和私鑰,那麼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,然後傳送給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。係統包括管理計算機、服務器、遠程安全通訊模塊、3G通訊模塊、PLC主站、PLC從站、攝像頭、變頻器、多功能麵板HMI、Internet互聯網。
1、通過S-Link 協議實現工業現場總線數據的安全性和完整性
在Internet的傳遞中,數據多采用標準的協議,互聯網協議(IP,Internet Protocol,網絡連接協議)是互聯網協議群(Internet Protocol Suite ,IPS)中眾多通信協議中的一個,也是其中最重要的一個。但是,IP協議是一個不可靠的傳輸機製,IP 協(xie)議(yi)不(bu)承(cheng)擔(dan)在(zai)數(shu)據(ju)源(yuan)主(zhu)機(ji)和(he)目(mu)的(de)主(zhu)機(ji)間(jian)建(jian)立(li)連(lian)接(jie)的(de)責(ze)任(ren),隻(zhi)負(fu)責(ze)從(cong)數(shu)據(ju)源(yuan)主(zhu)機(ji)建(jian)立(li)數(shu)據(ju)報(bao)並(bing)發(fa)送(song)出(chu)去(qu)的(de)工(gong)作(zuo),目(mu)標(biao)主(zhu)機(ji)收(shou)到(dao)數(shu)據(ju)報(bao)後(hou)不(bu)需(xu)要(yao)向(xiang)發(fa)送(song)源(yuan)主(zhu)機(ji)提(ti)交(jiao)確(que)認(ren)信(xin)息(xi), IP 協議會盡量確保目標主機能夠獲得發送給它的數據報,但是並不是絕對保證。
在Internet的通信協議中,可靠的數據傳輸是由TCP協議(Transfer Control Protocol,傳輸控製協議)來保證的。TCP(Transfer Control Protocol) 是專門設計用於在不可靠的 Internet 上提供可靠的、端到端的字節流通信的協議。 Internet 不同於一個單獨的網絡,不同部分可能具有不同的拓撲結構、帶寬、延遲、分組大小以及其它特性。 TCP 被設計成能動態滿足 Internet 的要求,並且足以健壯地麵對多種出錯。
TCP/IPjishushizuichangjiandeyizhongmianxianglianjiedechuanshufangshi,danshizaianquanxingfangmian,youyushujugeshiweibiaozhungeshi,suoyiwufabaozhengqianquanxing,renhezaiwangluoshangchuanshudeshujujunkeyibeilanjiehoujiemibingkenengchanshengxindeweishujujixuchuandi,congerduigongyewangluodeshebeikongzhiqichanshengcuowudezhiling。
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,公鑰加密技術扮演著非常重要的角色。為了增強互聯網的安全機製,主要采用防火牆技術、公開密鑰加密技術、數據加密技術、數字簽名、數字時間戳技術、身份認證和安全協議等。
上(shang)述(shu)常(chang)用(yong)的(de)安(an)全(quan)技(ji)術(shu),由(you)於(yu)和(he)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)機(ji)製(zhi)不(bu)同(tong),對(dui)於(yu)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)和(he)完(wan)整(zheng)性(xing)無(wu)法(fa)保(bao)證(zheng),存(cun)在(zai)打(da)包(bao)和(he)解(jie)包(bao)的(de)協(xie)議(yi)差(cha)異(yi),需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)重(zhong)新(xin)握(wo)手(shou),容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)通(tong)訊(xun)丟(diu)包(bao),容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)協(xie)議(yi)的(de)中(zhong)斷(duan),不(bu)適(shi)合(he)采(cai)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)協(xie)議(yi)進(jin)行(xing)傳(chuan)輸(shu)。
S-Linkxieyizhengshijiyubiaozhunxieyidebutongyongxing,yijigongyexianchangzongxiandeteshuyaoqiu,yixieyizhuanhuanzhunqueheanquanxingweishouyaomubiaodeyizhongfeigongkaimiyaofangshidezhuanyongxieyi,chulezhichibiaozhundeTCP/IP協議外,也支持工業實時以太網如西門子的PROFINET,EtherCAT等在互聯網上的傳輸。
如西門子的主要最新一代現場總線PROFINET,是由PROFIBUS國際組織(PROFIBUS International,PI)推出,是新一代基於工業以太網技術的自動化總線標準。作為一項戰略性的技術創新,PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案,囊括了諸如實時以太網、運動控製、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題,並且,作為跨供應商的技術,可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線(如PROFIBUS)技術,保護現有投資。作為國際標準 IEC61158 的重要組成部分, PROFINET 是完全開放的協議。
而 EtherCAT 是開放的實時以太網絡通訊協議,最初由德國倍福自動化有限公司 (Beckhoff Automation GmbH) 研發。 EtherCAT 為係統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準,同時,它還符合甚至降低了現場總線的使用成本。 EtherCAT 的特點還包括高精度設備同步,可選線纜冗餘,和功能性安全協議 (SIL3) 。 EtherCAT 主張 " 以太網控製自動化技術 " 。 它是一個開放源代碼,高性能的係統,目的是利用以太網協議(最惠國待遇係統局域網),在一個工業環境,特別是對工廠和其他製造業的關注,其中利用機器人和其他裝備線上的技術。 EtherCAT 是 IEC 規範 (IEC/PAS 62407) 。
S-Link 協議基於應用層,是公鑰和私鑰結合使用的方式進行加密,實現工業以太網的安全加密傳輸,符合 IEC 61748-3 標準中的 FSCP 12 (功能安全通訊設備行規)。
加密和解密是采用不同的密鑰(公開密鑰),也(ye)就(jiu)是(shi)非(fei)對(dui)稱(cheng)密(mi)鑰(yao)密(mi)碼(ma)係(xi)統(tong),每(mei)個(ge)通(tong)信(xin)方(fang)均(jun)需(xu)要(yao)兩(liang)個(ge)密(mi)鑰(yao),即(ji)公(gong)鑰(yao)和(he)私(si)鑰(yao),這(zhe)兩(liang)把(ba)密(mi)鑰(yao)可(ke)以(yi)互(hu)為(wei)加(jia)解(jie)密(mi)。公(gong)鑰(yao)是(shi)公(gong)開(kai)的(de),不(bu)需(xu)要(yao)保(bao)密(mi),而(er)私(si)鑰(yao)是(shi)由(you)雙(shuang)方(fang)通(tong)訊(xun)設(she)備(bei)持(chi)有(you)。 發fa送song方fang通tong過guo使shi用yong接jie收shou方fang的de公gong鑰yao對dui數shu據ju進jin行xing加jia密mi操cao作zuo,然ran後hou數shu據ju接jie收shou方fang使shi用yong自zi己ji的de私si鑰yao就jiu可ke以yi對dui數shu據ju進jin行xing解jie密mi。接jie收shou方fang通tong過guo解jie密mi操cao作zuo就jiu能neng知zhi道dao數shu據ju是shi否fou完wan整zheng傳chuan輸shu,如ru果guo能neng夠gou使shi用yong自zi己ji的de私si鑰yao解jie密mi數shu據ju,說shuo明ming數shu據ju是shi真zhen實shi的de,否fou則ze傳chuan輸shu的de數shu據ju可ke能neng在zai傳chuan輸shu過guo程cheng中zhong被bei篡cuan改gai。
本質上私鑰加密體製和公鑰加密體製的沒有任何區別,定義了一個私鑰的加密體製以私鑰 E 加密,公鑰 D 解密。兩個定義的不同在於安全定義的建立中,在一個公鑰加密體製中,攻擊者或“攻擊算法”是給定 E ,作為附加的輸出;這裏攻擊者沒有私鑰體製 E 。
S-Link基於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發送給B,B有一對公鑰和私鑰,那麼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,然後傳送給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,保證了工業數據的安全。
為了保證數據的完整性,S-Link采cai用yong了le小xiao包bao數shu據ju分fen發fa以yi及ji嚴yan格ge的de數shu據ju校xiao驗yan機ji製zhi,各ge個ge數shu據ju包bao在zai被bei確que認ren校xiao驗yan正zheng確que後hou,將jiang組zu成cheng一yi個ge完wan整zheng的de數shu據ju包bao,並bing且qie依yi據ju工gong業ye實shi時shi以yi太tai網wang的de格ge式shi,傳chuan遞di給gei具ju有you目mu標biaoIP地址的設備。
S-Link相對於無結構的數據流的TCP/IP 協議,S-Link區分了結構化的數據流,使用數據流符合工業以太網總線的格式,在傳輸之前就已經進行了規劃。
S-Link定義了一個重發機製,采用一種 “帶重傳功能的肯定確認”的技術作為提供可靠數據傳輸服務的方式。這項技術要求接收方收到數據之後向源站回送確認信息ACK。發(fa)送(song)方(fang)對(dui)發(fa)出(chu)的(de)每(mei)個(ge)分(fen)組(zu)都(dou)保(bao)存(cun)一(yi)份(fen)記(ji)錄(lu),在(zai)發(fa)送(song)下(xia)一(yi)個(ge)分(fen)組(zu)之(zhi)前(qian)等(deng)待(dai)確(que)認(ren)信(xin)息(xi)。發(fa)送(song)方(fang)還(hai)在(zai)送(song)出(chu)分(fen)組(zu)的(de)同(tong)時(shi)啟(qi)動(dong)一(yi)個(ge)定(ding)時(shi)器(qi),並(bing)在(zai)定(ding)時(shi)器(qi)的(de)定(ding)時(shi)期(qi)滿(man)而(er)確(que)認(ren)信(xin)息(xi)還(hai)沒(mei)有(you)到(dao)達(da)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),重(zhong)發(fa)剛(gang)才(cai)發(fa)出(chu)的(de)分(fen)組(zu)。
(此處省去數千字......)
本發明具有的優點是,通過基於S-Link和VLAN技術實現PLC程序級的遠程工業網絡監控係統,將現場控製器、人機界麵、變bian頻pin器qi等deng控kong製zhi係xi統tong設she備bei和he本ben地di的de管guan理li計ji算suan機ji實shi時shi互hu連lian,既ji可ke完wan成cheng工gong業ye數shu據ju的de實shi時shi通tong訊xun,也ye可ke以yi作zuo為wei對dui現xian場chang工gong業ye控kong製zhi設she備bei程cheng序xu級ji的de控kong製zhi,通tong過guo最zui為wei便bian利li的de互hu聯lian網wang實shi現xian遠yuan程cheng診zhen斷duan和he遠yuan程cheng調tiao試shi,遠yuan程cheng監jian控kong,極ji大da地di降jiang低di了le設she備bei係xi統tong的de調tiao試shi、維護成本。並且通過S-Link和VLAN技術實現了工業數據的安全性、實時性和完整性,確保了通過公共網絡傳輸的可靠和穩定。
本技術不同於以往的兩台電腦遠程桌麵訪問的方式,所有的PLC等deng現xian場chang設she備bei的de軟ruan件jian均jun在zai本ben地di管guan理li計ji算suan機ji上shang,而er且qie連lian接jie到dao現xian場chang可ke以yi是shi無wu人ren值zhi守shou就jiu可ke完wan成cheng。本ben技ji術shu也ye可ke以yi將jiang現xian場chang的de視shi頻pin信xin號hao實shi時shi傳chuan回hui,可ke以yi做zuo到dao如ru同tong在zai現xian場chang調tiao試shi一yi樣yang,可ke以yi在zai很hen短duan的de時shi間jian裏li就jiu進jin行xing在zai線xian的de遠yuan程cheng連lian接jie和he遠yuan程cheng診zhen斷duan。
本發明不同於以往的VPN方式,通過基於S-Link和VLAN技術實現PLC程序級的遠程工業網絡監控係統,在公共網絡上傳輸工業數據的安全性、完整性、實時性得到了保證。
本發明還可以通過3G的公共網絡,做到遠程工業網絡監控係統搭建的快速和便利性,隻要加上了3G上網通訊模塊,在需要遠程通訊的時候,插上日常用的3G卡,就可以完成和遠程的連接。不管是在設備端,還是在管理計算機端,均可以通過3G進行連接,在3G信號覆蓋區域即可進行隨時隨地的在線監控,做到對係統的實時響應和維護。
由於可編程控製PLC的應用具有相當廣泛性,所以遠程工業網絡監控係統在各種使用可編程控製器PLC的場合,具有相當大的應用空間,如在工程機械、風力發電、水泥攪拌站、水處理泵站、港口機械、糧站、隧道、灌溉設備、灌裝機、鋁材設備、物流倉庫、油井控製、換熱站供熱采集、水文水資源測報係統、雨情雨量測報係統、環境監測等係統的遠程通訊控製中均可以使用。