張興宇，韓秋實(shí)，彭寶營(yíng)

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

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基于數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的安全傳輸系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

張興宇，韓秋實(shí)，彭寶營(yíng)

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

為了保證數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，文章在Linux及windows系統(tǒng)下，基于C/S層次結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用C/C++語(yǔ)言、VS2008開(kāi)發(fā)軟件、oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了基于非圓磨削數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的安全傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各監(jiān)控機(jī)床站點(diǎn)的身份認(rèn)證，密鑰協(xié)商、密鑰校驗(yàn)、密鑰周期更換，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)和對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的加解密等功能，具有不依附于平臺(tái)、加密實(shí)時(shí)性高、易用性好和維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最后將系統(tǒng)部署到西門(mén)子840Dsl實(shí)驗(yàn)臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控PC端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明軟件運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目的。

數(shù)控機(jī)床；遠(yuǎn)程監(jiān)控；安全傳輸

0 引言

隨著工業(yè)4.0的提出，“互聯(lián)網(wǎng)+”下的工業(yè)智能制造技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床功能不斷提高。其中數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，為企業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量提供了可靠及穩(wěn)定的保障。數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，減少了人力消耗，降低了管理難度，是學(xué)術(shù)研究上的里程碑，更給企業(yè)帶來(lái)直接的收益[1-5]。但是隨著高新技術(shù)的發(fā)展，一些問(wèn)題也隨之暴露，互聯(lián)網(wǎng)下的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)陌踩珕?wèn)題，成為人們面臨的問(wèn)題之一。課題組利用數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)開(kāi)發(fā)了非圓磨削數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)非圓磨削數(shù)控加工機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)的不安全問(wèn)題[6-10]，如黑客入侵篡改傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)給運(yùn)行中的加工機(jī)床帶來(lái)不可預(yù)估的危險(xiǎn),文章開(kāi)發(fā)了針對(duì)非圓磨削數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的安全傳輸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的安全傳輸系統(tǒng)依附于平臺(tái)，加密實(shí)時(shí)性低和后期維護(hù)性差[11-13]，文章開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各監(jiān)控機(jī)床站點(diǎn)的身份認(rèn)證，密鑰協(xié)商、密鑰校驗(yàn)、密鑰周期更換，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)和對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的加解密等功能。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)不依附于平臺(tái):Linux系統(tǒng)和windows系統(tǒng)可以同時(shí)使用。

(2)加密實(shí)時(shí)性高:客戶(hù)端采用連接池，服務(wù)器端采用多線程以及非阻塞IO和select模型。

(3)易用性好:第三方數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)改動(dòng)最小。

(4)維護(hù)性強(qiáng):業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存入oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，便于后期管理人員進(jìn)行業(yè)務(wù)查詢(xún)。

(5)系統(tǒng)的加密性能高：身份認(rèn)證應(yīng)用改進(jìn)的哈希算法，傳輸數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)商密鑰應(yīng)用3DES加密算法，并且密鑰進(jìn)行周期更換。

1 非圓磨削數(shù)控機(jī)床安全傳輸系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

安全傳輸系統(tǒng)包括Linux下的密鑰協(xié)商服務(wù)器模塊、密鑰協(xié)商客戶(hù)端模塊、windows下的密鑰協(xié)商客戶(hù)端模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端模塊、數(shù)據(jù)加解密接口模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)的總體流程圖如圖2所示，該方案基于C/S層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)程序設(shè)計(jì)和算法改進(jìn)，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，解決了平臺(tái)差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩x性，并且系統(tǒng)的每次業(yè)務(wù)處理都記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，提供了數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端，可以對(duì)每次業(yè)務(wù)處理進(jìn)行審計(jì)工作。

圖2 系統(tǒng)整體流程圖

2 非圓磨削數(shù)控機(jī)床安全傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)，利用C/C++語(yǔ)言、VS2008開(kāi)發(fā)軟件、oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于C/S層次結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)。圖3為非圓磨削數(shù)控機(jī)床安全傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖,第二層為軟件的上層業(yè)務(wù)模塊，第三層為軟件的底層基礎(chǔ)組件。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

2.1 底層基礎(chǔ)組件

2.1.1 通信組件

為了提高系統(tǒng)的并發(fā)性及運(yùn)行穩(wěn)定性，通信組件主要利用socket編程，與傳統(tǒng)的通信方式相比，client端建立了基于長(zhǎng)連接的連接池，并且利用非阻塞IO和select模型[14]，server端基于多線程提高并發(fā)性。

2.1.2 報(bào)文編解碼組件

為了解決各平臺(tái)系統(tǒng)的差異性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)傳輸，報(bào)文編解碼組件主要基于ASN.1編碼原理[15-16]，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并用DER編解碼數(shù)據(jù)。

2.1.3 共享內(nèi)存組件

為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，選取共享內(nèi)存作為進(jìn)程間的通信方式。選取這種通信方式的原因在于：一方面服務(wù)器將協(xié)商的密鑰寫(xiě)入共享內(nèi)存，另一方面寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，數(shù)控機(jī)床直接通過(guò)數(shù)據(jù)加密接口，在共享內(nèi)存中獲取密鑰，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，并且共享內(nèi)存這種IPC方式，系統(tǒng)內(nèi)核直接把共享內(nèi)存句柄推送到上層應(yīng)用，不需要進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)和用戶(hù)態(tài)進(jìn)行切換，極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。

2.2 上層業(yè)務(wù)模塊

2.2.1 密鑰協(xié)商服務(wù)器和密鑰協(xié)商客戶(hù)端模塊

密鑰協(xié)商服務(wù)器在Linux系統(tǒng)編寫(xiě)，密鑰協(xié)商客戶(hù)端模塊在Windows和Linux系統(tǒng)下編寫(xiě)。服務(wù)器和客戶(hù)端模塊集成了通信組件、數(shù)據(jù)庫(kù)組件、報(bào)文編解碼組件、共享內(nèi)存組件和日志組件，利用基礎(chǔ)組件完成上層業(yè)務(wù)流程，提高了代碼的維護(hù)性，凸顯了高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)思想。圖4為密鑰協(xié)商服務(wù)器端和客戶(hù)端的業(yè)務(wù)流程。

圖4 密鑰協(xié)商服務(wù)器和客戶(hù)端業(yè)務(wù)流程

密鑰協(xié)商客戶(hù)端首先要進(jìn)行身份認(rèn)證，傳統(tǒng)的身份認(rèn)證密碼使用MD5算法進(jìn)行加密然后存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)被黑客入侵，黑客很容易通過(guò)暴力破解得到密碼，文章對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)，如圖5為改進(jìn)前后對(duì)比圖，表1為身份認(rèn)證加密改進(jìn)前后公式。從圖和表中可以看出通過(guò)算法的改進(jìn)加密程度得到了提高。

圖5 身份驗(yàn)證加密改進(jìn)前后對(duì)比圖

表1 身份驗(yàn)證加密改進(jìn)前后公式

身份認(rèn)證成功，密鑰協(xié)商客戶(hù)端與服務(wù)器建立連接，進(jìn)行密鑰協(xié)商，密鑰校驗(yàn)和密鑰周期更換業(yè)務(wù)。①密鑰協(xié)商過(guò)程，服務(wù)器端和客戶(hù)端得到一樣的密鑰，為下一步數(shù)據(jù)加密和解密做準(zhǔn)備。②密鑰校驗(yàn)過(guò)程，可以查詢(xún)服務(wù)器端和客戶(hù)端的密鑰是否一致。③密鑰的周期更換過(guò)程，可以保證密鑰的安全分發(fā)和周期更替，即使某段時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)密鑰中被黑客在竊取，也不能破壞傳輸數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端

數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端在Windows系統(tǒng)下利用VS2008軟件進(jìn)行編寫(xiě)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和后期數(shù)據(jù)維護(hù)工作，包括監(jiān)控機(jī)床站點(diǎn)的注冊(cè)及協(xié)商秘鑰數(shù)據(jù)的查看。對(duì)于傳統(tǒng)的加密設(shè)施，并沒(méi)有后端數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，該終端對(duì)于業(yè)務(wù)的維護(hù)性具有深遠(yuǎn)的意義，Windows下的數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端前端界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端Windows前端界面

2.2.3 數(shù)據(jù)加解密接口模塊

數(shù)據(jù)加解密模塊是在Linux和window系統(tǒng)下編寫(xiě)，并生成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件，主要通過(guò)數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用，從共享內(nèi)存中獲取密鑰，利用對(duì)稱(chēng)加密算法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床傳輸數(shù)據(jù)加密和解密功能。

為了提高系統(tǒng)加密級(jí)別，系統(tǒng)由傳統(tǒng)的DES加密算法改為3DES加密算法，由于DES加密算法也可以通過(guò)暴力破解得到加密前數(shù)據(jù)，3DES加密算法通過(guò)協(xié)商的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重加密，這種加密算法至今無(wú)人破解。

3 軟件功能測(cè)試與性能分析

完成非圓磨削數(shù)控機(jī)床安全傳輸系統(tǒng)的編寫(xiě)后，在西門(mén)子840Dsl實(shí)驗(yàn)臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控PC端進(jìn)行測(cè)試，密鑰協(xié)商服務(wù)器、oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理終端同時(shí)部署在遠(yuǎn)程監(jiān)控PC端，數(shù)據(jù)加解密動(dòng)態(tài)庫(kù)和頭文件嵌入到遠(yuǎn)程監(jiān)控PC端中，密鑰協(xié)商客戶(hù)端部署在西門(mén)子840Dsl數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的同步上位機(jī)上。

測(cè)試中先在后臺(tái)數(shù)據(jù)管理終端對(duì)西門(mén)子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行站點(diǎn)注冊(cè)，然后在西門(mén)子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上根據(jù)注冊(cè)的用戶(hù)名，密碼和站點(diǎn)號(hào)進(jìn)行身份認(rèn)證，認(rèn)證成功后進(jìn)行密鑰的協(xié)商和密鑰校驗(yàn)，校驗(yàn)成功，運(yùn)行機(jī)床與遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)多次測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析

通過(guò)部署安全傳輸系統(tǒng)后存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中的密鑰圖，如圖7所示，表頭：CLIENTID代表連接服務(wù)器的機(jī)床編號(hào);SERVERID代表服務(wù)器編號(hào);KEYID：代表協(xié)商秘鑰后產(chǎn)生的密鑰鍵值;SECKEY：代表協(xié)商秘鑰后產(chǎn)生的密鑰。

(1)通過(guò)SECKEY，看出軟件運(yùn)行后存入oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的密鑰的形式，密鑰都是一串字符或數(shù)字，代表密鑰是足夠復(fù)雜的。

(2)通過(guò)KEYID，看出系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的并且并發(fā)性很好，因?yàn)楝F(xiàn)在秘鑰keyid已經(jīng)到了32355(從0開(kāi)始)。

圖7 存儲(chǔ)在oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的密鑰

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間對(duì)比分析

通過(guò)部署安全傳輸系統(tǒng)前后系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，最大誤差為2.5%，平均誤差為1.48%，說(shuō)明部署安全傳輸系統(tǒng)后對(duì)原非圓磨削數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能影響很小，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的加密實(shí)時(shí)性高。

表2 部署開(kāi)發(fā)系統(tǒng)前后系統(tǒng)響應(yīng)延時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.3 系統(tǒng)的安全性對(duì)比分析

如表3所示，文章開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)通過(guò)三次安全性能提高①身份認(rèn)證加密算法改進(jìn)②傳輸數(shù)據(jù)加密算法更換③密鑰周期更換，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

表3 部署開(kāi)發(fā)系統(tǒng)前后系統(tǒng)安全性對(duì)比表

4 結(jié)論

文章利用C/S層次結(jié)構(gòu)和TCP/IP協(xié)議，開(kāi)發(fā)了基于數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的安全傳輸系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)部署后實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。最后所設(shè)計(jì)的安全傳輸系統(tǒng)，為“互聯(lián)網(wǎng)+”下的工業(yè)智能制造網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全傳輸方面提供了一種新的思路。

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(編輯 李秀敏)

Safe Transmission System Development Based on CNC Machine Remote Monitoring Technology

ZHANG Xing-yu， HAN Qiu-shi， PENG Bao-ying

(School of Mechanic and Electric Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192,China)

In order to guarantee the data transmission security of the remote monitoring system of CNC machine tools. A system is developed based on non-circular grinding CNC machine remote monitoring system,using TCP/IP network protocol and C/S hierarchy by C/C++ language VS2008 software、Oracle database under the Linus and Windows systems.It can realize the functions of the identity authentication of the monitoring sites of the machine, key agreement, key checking, the key cycle changing ,putting business data into database and encryption of transmission data.and it has the advantages of not depending on the platform,hight Real-time of encryption,good usability and strong maintainability,etc.In the end ,we conduct the experiment verification by arranging the system into Siemens 840Dsl test bench and the remote monitoring PC platform. The experimental results show that the software runs stably and expected results have been achieved.

CNC machine tools;remote monitoring;secure transport

1001-2265(2017)06-0082-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.021

2016-09-07；

2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51375056)

張興宇(1990—)，男，山東聊城人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芑c數(shù)字化控制，(E-mail)GallantZhangYu@163.com。

TH164; TG659

A