煙草物流中心工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

曲光學(xué)　李曉蓉

摘要：文章設(shè)計實現(xiàn)了一套基于樹莓派2作為硬件基礎(chǔ)平臺，適用于煙草商業(yè)物流配送中心生產(chǎn)環(huán)境內(nèi)，進行工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)信號數(shù)據(jù)實時采集，定位各類異常行為進行預(yù)警的監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單無線網(wǎng)卡輪詢無線頻點的掃頻監(jiān)測方式，7*24小時不間斷工作，每日可以支持采集分析超過1億個無線數(shù)據(jù)通訊包。系統(tǒng)采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)本地快速匹配分析和及時數(shù)據(jù)預(yù)警。系統(tǒng)上線后運行穩(wěn)定，對于物流生產(chǎn)環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的各類異常波動如異常流量、頻道干擾、生產(chǎn)系統(tǒng)響應(yīng)延遲以及各類設(shè)備無線模塊錯誤出現(xiàn)短暫心跳信號消失均可以第一時間進行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：樹莓派；工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)；系統(tǒng)集成

煙草商業(yè)單位物流分揀和手持射頻槍掃碼打碼環(huán)節(jié)是物流生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)中需要通過無線通信設(shè)備完成與總控中心的的信息交換。由于市場上使用較廣的商用無線WIFI（如無線辦公網(wǎng)絡(luò)）通訊協(xié)議安全隱患日益增高，存在攻擊行為、無線網(wǎng)絡(luò)信道干擾的可能性，如無線環(huán)境下的物流激光制導(dǎo)小車AGV（Automated Guided Vehicle）中央控制系統(tǒng)完全依靠無線網(wǎng)絡(luò)完成對AGV的交通管理功能，如果無線網(wǎng)絡(luò)間存在干擾或者出現(xiàn)假冒生產(chǎn)接入服務(wù)集標(biāo)識SSID（Service Set Identifier），會造成AGV無法實時接收到上位機的指令，從而導(dǎo)致停車撞車的危險發(fā)生。為解決此問題，本文設(shè)計實現(xiàn)了一套適用于煙草物流配送中心高架庫環(huán)境下進行空中WIFI信號數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，定位各類異常行為進行及時預(yù)警的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)信號不易采集格式化分析的技術(shù)難題，將自動基線分析與閾值分析方法引入到信號分析研判，同時將內(nèi)存數(shù)據(jù)庫與最新版樹莓派2設(shè)備作為系統(tǒng)的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析的承載平臺，解決了系統(tǒng)在高架庫環(huán)境下的易用性和穩(wěn)定性。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

為了實現(xiàn)對于高架庫為代表的無線WIFI通訊環(huán)境有效監(jiān)測，在系統(tǒng)設(shè)計中采用開源技術(shù)軟件作為基礎(chǔ)技術(shù)支撐，通過前期的現(xiàn)場調(diào)研建立了物流環(huán)節(jié)關(guān)鍵場景的高架庫AGV工作環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析整理，并依據(jù)采樣數(shù)據(jù)建立了生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中通過還原數(shù)據(jù)包對應(yīng)到工業(yè)控制生產(chǎn)過程中各類異常行為分析模型。其具體設(shè)計步驟為：（1）通過多次現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣建立無線通訊，還原通訊行為中的生產(chǎn)動作，建立基線與異常分析匹配模型，設(shè)計實現(xiàn)WIFI全頻道通訊掃描技術(shù)實現(xiàn)有效的無線數(shù)據(jù)通訊和實時監(jiān)測。（2）通過標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)接口，將系統(tǒng)告警信息與企業(yè)已有運維管控系統(tǒng)實現(xiàn)對接，實現(xiàn)系統(tǒng)間的緊密集成。（3）構(gòu)成可以支持高架庫安全生產(chǎn)運行監(jiān)控的信息子系統(tǒng)。

1.1高架庫無線環(huán)境對于安全監(jiān)測的需求

某煙草物流配送中心面積約2萬平方米，其中高架庫現(xiàn)場車間面積約為3800平方米，已經(jīng)完整實現(xiàn)物流AGV小車的在區(qū)域內(nèi)自動行走工作，通過無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心實時讀取物流AGV小車的運行狀態(tài)，及時讀取到小車的故障和報警，并針對不同的狀況控制物流AGV小車的具體動作。傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管監(jiān)測軟件已經(jīng)應(yīng)用成熟，但是對于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的通訊分析專業(yè)化軟件相對減少，尤其是可以長時間持續(xù)監(jiān)測工作的系統(tǒng)同時具備特定環(huán)境感知分析的系統(tǒng)，市場上更是難以尋覓成熟產(chǎn)品。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險形勢愈加嚴(yán)峻，通過無線網(wǎng)絡(luò)進行信息化管理的規(guī)模越來越大，有效填補無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測分析預(yù)警，持續(xù)改善無線網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量，推進業(yè)務(wù)生產(chǎn)信息化精益管理，已經(jīng)成為煙草商業(yè)單位的迫切需求，樹莓派上運行的LINUX系統(tǒng)對于無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測本身具有天然良好支撐特性，為設(shè)計開發(fā)一套可以高效智能的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)提供了較為理想的實現(xiàn)方案。

為充分滿足煙草商業(yè)物流高架庫現(xiàn)場工作環(huán)境需要，本文設(shè)計出一套在高架庫環(huán)境下可以進行無線通訊數(shù)據(jù)持續(xù)監(jiān)測的預(yù)警系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以切實加強高架庫環(huán)境下各類異常行為的分析感知。系統(tǒng)設(shè)計基本思路是：以異常行為分析模式庫為核心，引入嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)全頻道掃頻采集分析，充分利用雙數(shù)據(jù)庫（內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫）支撐高效分析實時數(shù)據(jù)，搭建高架庫環(huán)境下無線數(shù)據(jù)的全頻道掃描安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對無線數(shù)據(jù)通信進行數(shù)據(jù)捕獲，將數(shù)據(jù)進行本地格式化后并快速分析，通過提前預(yù)設(shè)監(jiān)測黑、白名單、監(jiān)測閾值和告警規(guī)則設(shè)置對可能出現(xiàn)的各類異常行為進行及時預(yù)警。

1.2整體架構(gòu)

為了使系統(tǒng)架構(gòu)較好的適應(yīng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)信息分析的擴展性和集成性要求，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用B/s架構(gòu)，分成了無線采集端、分析引擎端和集成監(jiān)控展示端，同時后臺配置有統(tǒng)一的監(jiān)測分析策略庫進行支撐（見圖1）。數(shù)據(jù)采集端完成生產(chǎn)環(huán)境下的無線信號采集，無線監(jiān)測分析引擎作為系統(tǒng)核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時格式化分析、關(guān)聯(lián)分析和告警等關(guān)鍵功能，集中的監(jiān)控展示提供了良好的人機交互界面，為一線生產(chǎn)車間運維人員提供了從實時監(jiān)測到告警研判分析的處置界面。統(tǒng)一監(jiān)測分析策略庫則存儲各類分析場景庫和監(jiān)測閾值信息，是系統(tǒng)關(guān)鍵的智能處置大腦核心。

2.技術(shù)實現(xiàn)

2.1高架庫環(huán)境無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集

生產(chǎn)環(huán)境的無線數(shù)據(jù)高效捕獲是系統(tǒng)的核心能力，其難點在于目前市場沒有相似成熟產(chǎn)品技術(shù)可以直接應(yīng)用，對于無線通訊標(biāo)準(zhǔn)13個頻道的輪詢分析也無單無線網(wǎng)卡的實現(xiàn)技術(shù)方案。在本系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)中系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集工作借助于嵌入式LINUX平臺，通過修改對應(yīng)網(wǎng)卡LINUX驅(qū)動程序，在系統(tǒng)內(nèi)核中增加并實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲支持功能，在煙草物流高架庫的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境工作頻道一般為1-611三個頻道，高架庫內(nèi)部署了3臺工業(yè)無線AP進行通訊數(shù)據(jù)漫游。

無線局域網(wǎng)中所有的數(shù)據(jù)包均在空中傳輸，每個數(shù)據(jù)包中都包含應(yīng)該接收該數(shù)據(jù)包的主機的MAC地址。在正常工作模式下，工作在鏈路層的網(wǎng)卡驅(qū)動程序根據(jù)該地址進行相應(yīng)的處理，如果不是自己網(wǎng)卡的MAC地址，也不是廣播地址，不論數(shù)據(jù)包中MAC地址是什么，網(wǎng)卡驅(qū)動程序直接拋棄，不向上層提交。但如果將無線網(wǎng)卡設(shè)為監(jiān)聽模式，主機上的處理程序就可以得到發(fā)往其他機器的數(shù)據(jù)包。

為了實現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)路信號的捕獲，系統(tǒng)設(shè)計自主實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件，在嵌入式設(shè)備工作環(huán)境下可以高效率的實現(xiàn)對于無線網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)的捕獲和格式化分析。網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件的功能是擷取網(wǎng)絡(luò)封包，并盡可能顯示出最為詳細的網(wǎng)絡(luò)封包資料。

2.2監(jiān)測過程建模分析

采集到工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會針對工業(yè)控制系統(tǒng)的重要應(yīng)用協(xié)議進行分析和內(nèi)容還原，尤其是針對PLC或者通信服務(wù)器與控制中心進行通信的OPC，S7，Profinet三種協(xié)議進行實時同步分析和內(nèi)容還原，研判還原內(nèi)容中異常指令和指令序列異常等情況。

系統(tǒng)將實時監(jiān)測的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通訊信息數(shù)據(jù)自動格式化為來源和目的MAC、IP地址，并將協(xié)議類型、信號強度、數(shù)據(jù)包長度、通訊內(nèi)容摘要信息等自動格式化。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過對高架庫生產(chǎn)環(huán)境中的WIFI數(shù)據(jù)進行了大量采集，并對WIFI數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)包長度大小進行了詳細分析，最終采用從數(shù)據(jù)包大小、協(xié)議類型、協(xié)議動作、MAC或IP地址情況，設(shè)置黑白名單監(jiān)測、閾值監(jiān)測、威脅行為監(jiān)測等機制，在數(shù)據(jù)實時采集過程中直接指定相關(guān)的監(jiān)測閾值。

高架庫工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在周圍環(huán)境中信號量較大，一般獨立的高架庫在每分鐘可以捕獲5-15萬個無線數(shù)據(jù)通訊包，這些數(shù)據(jù)包要在高速環(huán)境下完成數(shù)據(jù)甄別、去重、關(guān)聯(lián)分析和模式匹配，同時數(shù)據(jù)本身又是明顯的價值密度低數(shù)據(jù)，沒有長時間保存的工作需求，傳統(tǒng)企業(yè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫無法適應(yīng)其特殊的應(yīng)用場景。

本系統(tǒng)設(shè)計引入的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是SQLite，sQLite是小型的C程序庫，實現(xiàn)了獨立可嵌入式，零配置的SOL數(shù)據(jù)庫引擎。因為SQLite數(shù)據(jù)庫幾乎不需要管理，因此對于無人值守運行的嵌入式設(shè)備是一個非常好的選擇。將前端在物流生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中捕獲到的WIFI數(shù)據(jù)信號實時高速保存進入內(nèi)存模式的SQLite數(shù)據(jù)庫，同時利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫快出將近50倍的處理速度，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速匹配分析和計算。

除了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫外，系統(tǒng)里還設(shè)計一套傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過雙數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時捕獲數(shù)據(jù)在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中完成格式化和模式匹配功能，所有的告警數(shù)據(jù)、分析規(guī)則統(tǒng)一存放在后臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。兩套數(shù)據(jù)庫搭配使用，使得系統(tǒng)具備了在掃頻工作中即使持續(xù)監(jiān)聽2.4GHZ的14個通訊無線頻道的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，依然可以保持極高的捕獲分析效率和監(jiān)測告警命中能力。

2.3系統(tǒng)與嵌入式集成

考慮到物流中心現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境特性，系統(tǒng)設(shè)計沒有采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)X86I控機作為運行平臺，采用了2015年最新發(fā)布的樹莓派2，其搭載了博通BCM2836處理器，內(nèi)有4個Cortex-A7架構(gòu)核心，主頻900MHz，性能較強。采用樹莓派作為嵌入式工業(yè)硬件平臺，相比較大型服務(wù)器，臺式Pc或者筆記本電腦的現(xiàn)場實現(xiàn)方案具有以下特點：（1）采用樹莓派架構(gòu)的嵌入式工業(yè)電腦可以最大程度保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行；（2）其專機專用和即插即用的工作模式減少外部干擾同時也減少系統(tǒng)部署實施的難度；（3）樹莓派提供Y4個外置usB接口可以直接外接無線網(wǎng)卡和高增益天線，配置的網(wǎng)絡(luò)接口則可以直接聯(lián)入物流中心生產(chǎn)網(wǎng)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)回傳到物流中心后臺的統(tǒng)一信息管理系統(tǒng)，并與短信告警平臺實現(xiàn)互聯(lián)；（4）其硬件平臺價格低廉。

3.應(yīng)用效果

在該物流配送中心高架庫進行了無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)試點后，形成了配套的物流AQV小車通訊行為基礎(chǔ)庫。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)基于嵌入式和LINUX系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，最終實現(xiàn)的軟硬件一體化設(shè)備只有手掌大小，4臺設(shè)備組合工作可以實現(xiàn)近萬平米的高架庫車間無線網(wǎng)絡(luò)信號的監(jiān)聽分析，便于各類工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)環(huán)境的實施部署，集成化程度高，設(shè)備實現(xiàn)了即插即用、無特殊維護。通過內(nèi)核程序調(diào)用腳本實現(xiàn)了單塊無線網(wǎng)卡對全頻道WIFI信號的實時掃頻及數(shù)據(jù)捕獲，捕獲的WIFI數(shù)據(jù)包格式化后進入高速內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進行分析研判，并將現(xiàn)場告警實時發(fā)出。通過無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，對近萬平米物流配送中心的無線網(wǎng)絡(luò)進行了持續(xù)有效的監(jiān)測預(yù)警管理，解決了物流配送中心對于無線數(shù)據(jù)通訊的監(jiān)控手段的缺失，具備了及時發(fā)現(xiàn)和定位各類工業(yè)無線生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊異常事件的能力。

4.結(jié)語

通過嵌入式設(shè)備自主設(shè)計實現(xiàn)的物流配送中心工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備小巧性能穩(wěn)定，填補了行業(yè)內(nèi)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)空白，未來在行業(yè)中具有極強的推廣應(yīng)用示范價值。未來工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)4.0發(fā)展戰(zhàn)略中必然會占據(jù)更大應(yīng)用份額，對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)環(huán)境的通訊數(shù)據(jù)采集分析和安全研究十分必要，希望通過筆者的技術(shù)研究為行業(yè)探索該技術(shù)領(lǐng)域的提供有益實踐。