傅雷揚　朱　軍　饒　元

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)　合肥　230036)

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一種跨網(wǎng)閘數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

傅雷揚朱軍饒元

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)合肥230036)

電力系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境下,不同安全區(qū)域間的數(shù)據(jù)傳輸有著嚴格的要求,一方面保障了生產(chǎn)環(huán)境的安全,另一方面又給數(shù)據(jù)傳輸和共享帶來制約。設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于網(wǎng)閘的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),可以將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)序列化后傳輸,在UDP傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上自定義了通信協(xié)議,保障了通信的實時性和數(shù)據(jù)的完整性,整個過程中不產(chǎn)生任何磁盤文件。對于各種不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸需求,只需要改變序列化和反序列化模塊,系統(tǒng)具備通用性。該系統(tǒng)已經(jīng)部署到某發(fā)電企業(yè)的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場,實際運行結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,替代了原先的文件搬運方式,解決了頻繁讀寫磁盤導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

網(wǎng)閘; 物理隔離裝置; 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng); 序列化; UDP傳輸

Class NumberTP311.5

1　引言

2015年12月23日,烏克蘭至少三個區(qū)域的電力系統(tǒng)遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊,伊萬諾-弗蘭科夫斯克地區(qū)部分變電站的控制系統(tǒng)遭到破壞,造成大面積停電,電力中斷3～6小時,約140萬人受到影響。曾幾何時,黑客還只是潛伏在網(wǎng)絡(luò)世界竊取信息的影子。而步入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代,技術(shù)與產(chǎn)業(yè)融合激發(fā)創(chuàng)新活力的同時,也給信息安全帶來更大挑戰(zhàn)[1]。

根據(jù)電力二次系統(tǒng)的特點,為了防范黑客及惡意代碼等對電力二次系統(tǒng)的攻擊侵害及由此引發(fā)電力系統(tǒng)事故,建立了電力二次系統(tǒng)安全防護體系,以保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。將電力安全區(qū)劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū),生產(chǎn)控制大區(qū)又分為控制區(qū)(Ⅰ安全區(qū))和非控制區(qū)(Ⅱ安全區(qū)),信息管理大區(qū)分為生產(chǎn)管理區(qū)(Ⅲ安全區(qū))和管理信息區(qū)(Ⅳ安全區(qū))[2]。各種防護與隔離措施也被廣泛使用,如防火墻技術(shù)、多重安全網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)閘、交換網(wǎng)絡(luò)等[3～4]。這些防護措施在保護了電力系統(tǒng)的同時,又給數(shù)據(jù)傳輸和共享帶來了阻礙。本文在電力系統(tǒng)常用的網(wǎng)閘設(shè)備基礎(chǔ)上,設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于網(wǎng)閘的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),采用UDP傳輸協(xié)議,可以將任意結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)進行序列化傳輸,整個過程中不產(chǎn)生任何磁盤文件。從網(wǎng)閘與傳統(tǒng)的文件搬運、跨網(wǎng)閘數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計、測試等幾個方面來分別進行闡述。

2　網(wǎng)閘與傳統(tǒng)的文件搬運

網(wǎng)閘又叫安全隔離與信息交換系統(tǒng)[5],是位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的一個安全防護裝置,它可以識別非法請求并阻止超越權(quán)限的數(shù)據(jù)訪問和操作,從而有效地抵御病毒、黑客等的惡意破壞和攻擊活動,保護網(wǎng)絡(luò)的安全。網(wǎng)閘技術(shù)在物理隔離技術(shù)基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)間物理層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議斷開的同時進行數(shù)據(jù)交換。

網(wǎng)閘是由軟件和硬件組成,其硬件設(shè)備由三部分組成：外部處理單元、內(nèi)部處理單元、專用隔離與交換控制單元,如圖1所示[6]。內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)通過網(wǎng)閘連接起來,其中,內(nèi)部處理單元連接內(nèi)網(wǎng),外部處理單元連接外網(wǎng)。專用隔離與交換控制單元由硬件開關(guān)和數(shù)據(jù)交換區(qū)組成,硬件開關(guān)從硬件層面上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換區(qū)在任一時刻只與內(nèi)部處理單元或外部處理單元相連,這樣便能保證在任一時刻內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)沒有物理上的直接連通,從而實現(xiàn)了物理隔離。

圖1　網(wǎng)閘內(nèi)部原理

當(dāng)有數(shù)據(jù)需要從內(nèi)網(wǎng)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)時,硬件開關(guān)S首先與內(nèi)部處理單元的A點連接,進行第一次數(shù)據(jù)擺渡。此時,專用隔離交換單元的數(shù)據(jù)交換區(qū)與內(nèi)網(wǎng)連通,與外網(wǎng)斷開,內(nèi)網(wǎng)中需要交換的數(shù)據(jù)被通過命令寫入到數(shù)據(jù)交換區(qū)。之后,硬件開關(guān)S斷開與A點的連接,轉(zhuǎn)而與外部處理單元的B點連接,外部就可以從數(shù)據(jù)交換區(qū)中讀取數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)由內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。反之,由外網(wǎng)向內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸,過程剛好相反。內(nèi)外網(wǎng)之間所有的 TCP/IP 連接在經(jīng)過網(wǎng)閘時都要進行協(xié)議剝離,即在網(wǎng)閘的一端將數(shù)據(jù)剝離至原始數(shù)據(jù),然后根據(jù)用戶制訂的規(guī)則對原始數(shù)據(jù)進行強制檢查,再以格式化數(shù)據(jù)塊的形式擺渡至網(wǎng)閘的另一端,另一端的主機系統(tǒng)在發(fā)送前需完成逆向的數(shù)據(jù)封裝工作,即實現(xiàn)“協(xié)議落地、內(nèi)容檢查”,這樣能夠?qū)崿F(xiàn)最高級別的安全。

網(wǎng)閘傳輸數(shù)據(jù)的常用形式是文件搬運,即將數(shù)據(jù)保存在文件中,傳輸?shù)骄W(wǎng)閘一側(cè),由網(wǎng)閘搬運到另一側(cè),如圖2所示。

圖2　網(wǎng)閘文件搬運

文件搬運的優(yōu)點是文件具有通用性,任何應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件,都可以通過網(wǎng)閘搬運,無須針對性地定制開發(fā),只要有網(wǎng)閘設(shè)備和通用的搬運程序,配置后就可以實現(xiàn)跨網(wǎng)閘數(shù)據(jù)傳輸。但文件搬運也存在較多不足：如果有大量文件需要搬運(例如實時采集系統(tǒng),7*24小時不間斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件),則存在頻繁讀寫內(nèi)外網(wǎng)主機磁盤的問題,時間久了容易導(dǎo)致磁盤損壞。另外,文件搬運通常是在成功搬運后才刪除源文件,一旦網(wǎng)閘或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,則可能導(dǎo)致內(nèi)網(wǎng)主機磁盤被寫滿而影響正常運行。因此,有必要改進傳統(tǒng)的文件搬運方式,采用內(nèi)存緩存數(shù)據(jù)(無文件)、收發(fā)雙方直接通信的方式(經(jīng)網(wǎng)閘隔離)跨網(wǎng)閘傳輸數(shù)據(jù)。

3　跨網(wǎng)閘數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

3.1總體設(shè)計

本文設(shè)計開發(fā)的跨網(wǎng)閘數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)[7]的數(shù)據(jù)采集部分,如圖3所示。支持振動量數(shù)據(jù)、過程量數(shù)據(jù)(PI,eDNA)跨網(wǎng)閘,實現(xiàn)網(wǎng)閘兩端的鏡像服務(wù)器與前端服務(wù)器數(shù)據(jù)實時同步。設(shè)計上借鑒了國內(nèi)外網(wǎng)閘數(shù)據(jù)傳輸研究領(lǐng)域里的一些先進技術(shù)方案[8～12]。

3.2跨網(wǎng)閘設(shè)計與處理流程

圖4給出了振動量跨網(wǎng)閘的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖,過程量跨網(wǎng)閘結(jié)構(gòu)相似,區(qū)別僅在于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同,數(shù)據(jù)來源不同(過程量直接讀實時數(shù)據(jù)庫PI和eDNA)。網(wǎng)閘兩端的服務(wù)器上分別運行了跨網(wǎng)閘傳輸客戶端程序(圖4中的saPro Client)和服務(wù)端程序(圖4中的saPro Server)。客戶端程序?qū)⒁獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)通過UDP協(xié)議直接發(fā)送到網(wǎng)閘內(nèi)網(wǎng)端口,網(wǎng)閘擺渡數(shù)據(jù)到外網(wǎng),由服務(wù)端程序接收并寫入MySQL數(shù)據(jù)庫。

圖3　振動在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

圖4　振動量跨網(wǎng)閘設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

客戶端程序處理流程：

1) 從交換緩沖區(qū)(與信號分析線程共享的)中讀一組數(shù)據(jù),無數(shù)據(jù)可讀則阻塞；

2) 序列化,將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組；

3) 構(gòu)造開始報文,發(fā)送；

4) 循環(huán)構(gòu)造若干數(shù)據(jù)報文(根據(jù)具體的數(shù)據(jù)量),發(fā)送；

5) 構(gòu)造結(jié)束報文,發(fā)送；

6) 轉(zhuǎn)1)。

服務(wù)端程序處理流程：

1) 監(jiān)聽指定的若干個端口,每個端口對應(yīng)一個客戶端(saPro Client)；

2) 收到開始報文,暫存,無數(shù)據(jù)則阻塞；

3) 循環(huán)收到若干個數(shù)據(jù)報文,暫存；

4) 收到結(jié)束報文,觸發(fā)解析,重組數(shù)據(jù)報文,保存到一維數(shù)組中；

5) 反序列化,將一維數(shù)組轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),并保存到交換緩沖區(qū)中(供數(shù)據(jù)庫線程來讀取)；

6) 轉(zhuǎn)2)。

3.3主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

// 振動量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedef struct {

long long timestamp; // 時間戳

int millisecond; // 毫秒

float speed; // 轉(zhuǎn)速

// PARAM 段

float gap; // 間隙電壓

float direct; // 通頻值

float amplitude_1X; // 1倍頻幅值

float phase_1X; // 1倍頻相位

float amplitude_2X; // 可選倍頻幅值

float phase_2X; // 可選倍頻相位

float amplitude_3X; // 可選倍頻幅值

float phase_3X; // 可選倍頻相位

// WAVE段

int waveLength; // 壓縮后的波形長度

byte* pWave; // 壓縮后的波形動態(tài)值

// SPECTRUM段

int spectLength; // 壓縮后的頻譜長度

byte* pSpect; // 壓縮后的頻譜動態(tài)值

// 采集參數(shù)

int sampleRateOrder; // 階比數(shù)

float deltaOrder; // 階比分辨率

} VibraData;

3.4自定義通信協(xié)議

為保障通信的實時性,傳輸協(xié)議選擇了UDP,在專用設(shè)備上運行(無其它任務(wù)干擾),UDP的丟包問題基本可以忽略不計。在UDP通信的基礎(chǔ)上,數(shù)據(jù)傳輸采用了自定義的通信協(xié)議,包括：開始報文、數(shù)據(jù)報文、終止報文,其收發(fā)流程即3.2節(jié)的客戶端和服務(wù)端處理流程。服務(wù)端接收到報文時,將對報文頭、發(fā)送序號、MD5校驗碼進行檢查,確保報文的完整性和數(shù)據(jù)的正確性,即便小概率的UDP丟包導(dǎo)致的報文丟失,也將會被識別出來。

表1　開始報文

表2　數(shù)據(jù)報文

表3　終止報文

4　系統(tǒng)測試

網(wǎng)閘設(shè)備采用了南瑞信息的SysKeeper-2000網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。三臺采集器分別運行saPro Client程序,鏡像服務(wù)器運行saPro Server程序。采集器的數(shù)據(jù)寫入前端服務(wù)器,同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)閘內(nèi)網(wǎng)端口,網(wǎng)閘轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到外網(wǎng),寫入鏡像服務(wù)器。

圖5　系統(tǒng)測試網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)閘配置如圖6所示?？蛻舳伺c服務(wù)端的通信,是通過虛擬IP地址來進行的。圖6的配置中,客戶端網(wǎng)卡的IP地址是10.144.1.1,目標(鏡像)服務(wù)器的地址是10.144.1.4(虛擬IP地址),鏡像服務(wù)器網(wǎng)卡的真實IP地址是202.102.1.4。端口設(shè)置為0,表示允許所有端口數(shù)據(jù)通過,協(xié)議類型為UDP。

圖6　網(wǎng)閘配置

圖7同時給出了網(wǎng)閘客戶端和服務(wù)端程序的運行狀態(tài)。

圖7　網(wǎng)閘客戶端和服務(wù)端運行狀態(tài)

5　結(jié)語

系統(tǒng)測試表明,本文設(shè)計的網(wǎng)閘傳輸系統(tǒng)可以實時地跨網(wǎng)閘傳輸數(shù)據(jù),無須存盤和文件交換,最大程度地減少了磁盤的讀寫,也無須擔(dān)心磁盤被寫滿,從而解決了傳統(tǒng)的文件搬運存在的弊端。同時,對于各種不同的待傳輸數(shù)據(jù),只需要改變序列化和反序列化模塊,因而具備一定的通用性。本文系統(tǒng)已經(jīng)部署在電廠的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場,實踐表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,取代了原先的文件搬運方式。

本文系統(tǒng)目前解決的是正向數(shù)據(jù)傳輸,即數(shù)據(jù)都是從內(nèi)網(wǎng)發(fā)往外網(wǎng),客戶端只發(fā)送數(shù)據(jù)而不接收服務(wù)端的反饋,因此無法判斷服務(wù)端是否在運行中?？梢钥紤]增加心跳數(shù)據(jù)包,如圖8所示,收發(fā)雙方都可以感知對方的狀態(tài)。

圖8　網(wǎng)閘心跳設(shè)計

[1] 中國電力網(wǎng).烏克蘭電網(wǎng)遭遇黑客攻擊有何警示意義？[EB/OL]. http://www.chinapower.com.cn/information&jzqb/2016022215629.html,2016-02-22.

[2] 李樹斌,王函弘,曹祥飛,等. 2種實時數(shù)據(jù)庫跨不同安全區(qū)的數(shù)據(jù)遷移工具實現(xiàn)與應(yīng)用[J]. 浙江電力,2014(6):32-35.LI Shubin,WANG Hanhong,CAO Xiangfei,et al. Implementation and Application of Data Migration Tool Crossing Diffident Security Regions of Two Real-time Databases[J]. Zhejiang Electric Power,2014(6):32-35.

[3] 孟衛(wèi)東.電力系統(tǒng)常用的網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)比較[J].云南水力發(fā)電,2008,24(3)：104-106.

MENG Weidong. Comparison of Network Isolation Techniques Used in Power System[J]. Yunnan Water Power,2008,24(3)：104-106.

[4] 于華楠,武云瑞,胡緒超.正向隔離網(wǎng)閘在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機與數(shù)字工程,2014,42(10)：1817-1818,1874.YU Huanan,WU Yunrui,HU Xuchao. Application of Positive-isolation Gap in Electricity System[J]. Computer & Digital Engineering,2014,42(10)：1817-1818,1874.

[5] 王博.基于物理隔離技術(shù)的網(wǎng)閘系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2014.

WANG Bo. Design and Implementation of Gateway System Based on Physical Isolation[D]. Xi’an：Xi’an Electronic and Science University,2014.

[6] 白燕.基于網(wǎng)閘的雙機熱備系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京理工大學(xué),2015.

BAI Yan. The Design and Implementation of Hot-standby System Based on the Netgap[D]. Beijing：Beijing Institute of Technology,2015.

[7] 傅雷揚,汪江,朱軍,等.汽輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國電力,2013,46(4)：1-5.FU Leiyang,WANG Jiang,ZHU Jun,et al. Design and Implementation of Online Vibration Monitoring System for Turbine-Generator Sets[J]. Electric Power,2013,46(4)：1-5.

[8] S. Yu,Y. Zhan,Q. L. Cai,et al. A Reflective NetGAP Logic Framework Design[J]. Power Electronics and Intelligent Transportation System,2008(1):565-568.

[9] Y. Songsen,P. Yun,Z. Yiju. A Design of Message Transferring Based on Mailbox in NetGAP[J]. Computational Intelligence and Industrial Application,2008(1)：571-574.

[10] S. Yu,Y. Peng,Y. Zhan,et al. Session Mechanism Research Based on Agent in NetGAP[J]. Intelligent Information Technology Application Workshops,2008(1):395-398.

[11] 周亮,劉開培,李俊娥.基于PowerPC的嵌入式協(xié)議隔離設(shè)備在電力系統(tǒng)中的實現(xiàn)[J].電力自動化設(shè)備,2008,28(9)：82-88.

ZHOU Liang,LIU Kaipei,LI Jun’e. Implementation of Embedded Protocol Isolation Equipment Based on PowerPC[J]. Electric Power Automation Equipment,2008,28(9)：82-88.

[12] 樓平,史英杰,陳軍,等.一種適用于電力系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)遷移方法[J].華東電力,2014,42(3)：496-499.

LOU Ping,SHI Yingjie,CHEN Jun,et al. Real-Time Data Transferring Method for Electric Power System[J]. East China Electric Power,2014,42(3)：496-499.

Design and Implementation of An Across Netgap Data Transmission System

FU LeiyangZHU JunRAO Yuan

(Anhui Agriculture University, Hefei230036)

Under the environment of power system production,there are strict requirements on the data transmission between different safety areas. On the one hand,it ensures the safety of the production environment,on the other hand,it also brings the restriction of data transmission and sharing. Design and implementation of a netgap data transmission system,which can serialize structured data is conducted. By designing a custom communication protocol based on the UDP transport protocol,real-time communication and data integrity can be guaranteed. Also,the whole process does not produce any disk files. For the data transmission requirement of different structure,it only needs to change the serialization and deserialization modules,so the system has the versatility. The system has been deployed to a power plant on the data collection spot,instead of the original file handling way. It proves that the system has the stability and reliability,and system failure caused by frequently reading and writing disk has been solved.

netgap, physical isolation device, data transmission system, serialization, UDP transmission

2016年4月7日,

2016年5月19日

傅雷揚，男，講師，研究方向：旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和基于網(wǎng)絡(luò)的軟件技術(shù)。朱軍，男，副教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全、自組網(wǎng)路由。饒元，男，副教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

TP311.5

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.028