安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)在NC代碼傳輸中的應(yīng)用*

巴連杰，林 楠，黃華偉，王 慶，石元兵，黃明浩

（成都衛(wèi)士通信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

分布式數(shù)字控制（Distributed Numerical Control，DNC）是一種綜合利用各種數(shù)字化先進(jìn)手段，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分散的數(shù)控機(jī)床等設(shè)備連接在一起，組建成工控DNC網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。

數(shù)字控制（Numerical Control，NC）指用離散的數(shù)字信息控制機(jī)械等裝置的運(yùn)行，只能由操作者自己編寫NC代碼控制。NC代碼是數(shù)字控制器能識(shí)別的代碼，不同品牌的控制器構(gòu)成的結(jié)構(gòu)不同。

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的快速發(fā)展，工控系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作的需求與日俱增，其中代碼的傳輸就是其中之一。但是，某些特殊企業(yè)（如軍工行業(yè)）的工控DNC網(wǎng)絡(luò)因自身接入涉密園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的特殊性，不能直接和非密網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，只能采用人工審核的方式對(duì)來(lái)自非密網(wǎng)的NC代碼進(jìn)行檢查，再以人工擺渡的方式將其從非密網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入工控網(wǎng)絡(luò)，以杜絕安全隱患。

本文針對(duì)軍工企業(yè)DNC網(wǎng)絡(luò)的特殊需求，基于安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)，設(shè)計(jì)一種新型的NC代碼跨網(wǎng)傳輸解決方案，在滿足工控網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)NC代碼的自動(dòng)檢查、過濾，極大地提高了生產(chǎn)效率。目前，該方案已在部分單位試用。

1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

DNC系統(tǒng)作為數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，普遍應(yīng)用于工控網(wǎng)絡(luò)。它的主要功能是通過特定的管理服務(wù)器，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所有的數(shù)控設(shè)備進(jìn)行集中聯(lián)網(wǎng)管理[1-4]。

通常情況下，程序編程人員在自己的辦公機(jī)上完成編程后，可直接上傳NC代碼至DNC服務(wù)器指定的目錄下，而后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備操作者即可通過設(shè)備計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computerized Numerical Control，CNC）控制器發(fā)送“下載”指令，從服務(wù)器中下載所需的NC代碼[5]。

考慮到上述提到的軍工行業(yè)的特殊性，鑒于編程人員所在的辦公網(wǎng)和工控涉密網(wǎng)是嚴(yán)格隔離的，傳統(tǒng)通過人工刻盤的方式進(jìn)行NC代碼擺渡。先在辦公網(wǎng)將NC代碼通過光盤導(dǎo)出，然后人工審核后再導(dǎo)入工控網(wǎng)，如圖1所示。此做法雖然相對(duì)安全，但需要專職人員守候負(fù)責(zé)，不僅效率低下，而且質(zhì)量上完全依賴審核人員的水平。

圖1 人工擺渡方式實(shí)現(xiàn)NC代碼傳輸

針對(duì)軍工行業(yè)傳統(tǒng)做法的低效性，本文提出一種基于安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的新的解決方案，如圖2所示。開發(fā)人員在辦公區(qū)通過手動(dòng)或自動(dòng)的方式產(chǎn)生NC代碼文件，經(jīng)安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)檢查后自動(dòng)傳輸DNC網(wǎng)絡(luò)，由DNC網(wǎng)絡(luò)中的管理服務(wù)器下發(fā)給CNC車床設(shè)備[6-7]。此方案實(shí)現(xiàn)了NC代碼在不同密級(jí)網(wǎng)絡(luò)間的自動(dòng)化傳輸，在滿足安全性的大前提下，極大地提高了NC代碼的傳輸效率。

后續(xù)章節(jié)會(huì)結(jié)合安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的防護(hù)原理和NC代碼檢查機(jī)制，詳細(xì)闡述其在NC代碼傳輸流程中的應(yīng)用。

2 安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的防護(hù)原理

安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)是基于自主可控平臺(tái)研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品，符合等保、分保要求。系統(tǒng)由3部分組成：應(yīng)用適配器（發(fā)送端）、安全隔離與信息單向傳輸網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用適配器（接收端）。

應(yīng)用適配器主要用于對(duì)接各種應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)議，剝離應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在模塊中重新封裝為內(nèi)部通信協(xié)議。安全隔離與信息單向傳輸網(wǎng)關(guān)為系統(tǒng)核心組件，采用“2+1”硬件結(jié)構(gòu)，利用光單向性構(gòu)建數(shù)據(jù)單向無(wú)反饋傳輸通道[8-13]。為了方便，本文從原理上闡述安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的安全機(jī)制，如無(wú)特別指出，不再具體區(qū)分應(yīng)用適配器和安全隔離與信息單向傳輸網(wǎng)關(guān)，僅區(qū)分發(fā)送端和接收端。

2.1 單向數(shù)據(jù)通道

安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)使用兩塊高效單向傳輸卡實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的單向傳輸。單向傳輸卡之間通過光纖連接，中間傳輸?shù)氖寝D(zhuǎn)換后的光信號(hào)。利用板卡的獨(dú)特設(shè)計(jì)和光傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，既達(dá)到了單向要求，又滿足數(shù)據(jù)的高性能傳輸要求。

系統(tǒng)的單向數(shù)據(jù)通道結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 安全隔離與單向網(wǎng)關(guān)在NC代碼傳輸中的應(yīng)用

圖3 單向傳輸通道結(jié)構(gòu)

從圖3可以看出，安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的單向傳輸特性在于發(fā)送端單向傳輸卡只有光發(fā)送適配器，接收端單向傳輸卡只有接收適配器，中間只有光傳輸信道。這樣可保證沒有信號(hào)從接收端傳向發(fā)送端，從而實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)單向傳輸（非密網(wǎng)到涉密網(wǎng)）。

2.2 數(shù)據(jù)封裝及傳輸

安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)完整性并有序、高效地從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?，?shí)現(xiàn)了專業(yè)的數(shù)據(jù)封裝和傳輸模塊。該模塊分為兩部分：一是應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝及傳輸；二是芯片級(jí)的數(shù)據(jù)封裝及傳輸。

應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝及傳輸部分將需要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分片處理，每次僅傳輸單向傳輸卡可接收的數(shù)據(jù)大小，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，保證傳輸數(shù)據(jù)完整性。簽名數(shù)據(jù)最后加上傳輸頭信息，保證安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的接收端在收到數(shù)據(jù)后能成功將分片信息重組為應(yīng)用數(shù)據(jù)。協(xié)議封裝過程如圖4所示。

圖4 應(yīng)用數(shù)據(jù)封裝過程

發(fā)送端物理層按照內(nèi)部特殊協(xié)議結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用層分片數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝處理，板卡等加密信息通過硬件編碼方式進(jìn)行交互，一旦不匹配，硬件自動(dòng)中斷連接過程。封裝后的數(shù)據(jù)流以光信號(hào)方式傳輸?shù)浇邮斩藛蜗騻鬏斂ㄉ?，可以防止線路搭接。發(fā)送端數(shù)據(jù)傳輸過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸過程

接收端處理過程為發(fā)送端處理過程的逆過程。接收端單向傳輸卡將收到的數(shù)據(jù)先硬件解碼，然后按照內(nèi)部協(xié)議結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解封裝，還原為應(yīng)用層數(shù)據(jù)。

2.3 協(xié)議終止

安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)包解析到應(yīng)用層處理。在發(fā)送端會(huì)對(duì)應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行剝離，以專有協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新封裝，分片傳輸?shù)浇邮斩?；在接收端，?duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，重新組包為原應(yīng)用協(xié)議格式發(fā)送給接收端應(yīng)用服務(wù)器。

安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)基于專有協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)用協(xié)議的終止，可以阻止任何基于協(xié)議的攻擊，極大得提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.4 身份認(rèn)證及透明代理

安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)通過身份認(rèn)證透明代理的方式確保接入系統(tǒng)的應(yīng)用可信性。在應(yīng)用主機(jī)和安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)上分別部署身份認(rèn)證透明代理軟件，代理軟件通過證書和密碼算法等手段建立互信。應(yīng)用接入安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)后，應(yīng)用上的代理軟件會(huì)截獲其連接并通過可信數(shù)據(jù)通路將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的代理軟件收到數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)上的應(yīng)用適配模塊。身份認(rèn)證透明代理流程如圖6所示。

圖6 身份認(rèn)證透明代理流程

3 NC代碼傳輸流程

上文提到的多種安全防護(hù)機(jī)制，從基礎(chǔ)層面保證了安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的安全性、可靠性以及單向傳輸性。本文從業(yè)務(wù)邏輯層面出發(fā)，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景（第1小節(jié)）闡述安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)在工控NC代碼傳輸中的具體應(yīng)用。

鑒于軍工DNC網(wǎng)絡(luò)中的NC代碼是以文件的形式進(jìn)行擺渡的，可利用安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的FTP文件傳輸模塊實(shí)現(xiàn)代碼的傳輸，利用其他業(yè)務(wù)模塊對(duì)NC代碼文件做相應(yīng)的訪問控制和安全檢查，如圖7所示。

圖7 NC代碼傳輸控制流程

NC代碼文件從非密網(wǎng)傳輸?shù)桨踩綦x與單向?qū)胂到y(tǒng)后，在發(fā)送端根據(jù)系統(tǒng)的安全傳輸策略對(duì)NC代碼做相應(yīng)的處理，主要包括訪問控制、合規(guī)性檢查、NC代碼檢查、審批控制以及病毒防護(hù)。

（1）訪問控制模塊。通過內(nèi)建基礎(chǔ)防火墻策略，設(shè)置可接入安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的源IP地址及系統(tǒng)所開放的服務(wù)端口，阻止非法IP接入系統(tǒng)。另外，訪問控制模塊提供時(shí)間規(guī)則管理功能，通過設(shè)置時(shí)間規(guī)則，控制系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)模塊允許訪問的時(shí)間段。

（2）合規(guī)性檢查模塊。它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的大小、類型以及內(nèi)容等信息進(jìn)行合規(guī)性檢查，合規(guī)的文件才允許傳輸。

（3）審批控制模塊。該模塊是可選項(xiàng)，需要與配套的人工審批服務(wù)器一起工作，根據(jù)具體需求開啟人工審批或自動(dòng)審批功能。安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)會(huì)將文件傳輸?shù)綄徟?wù)器做相應(yīng)的審核。

（4）病毒防護(hù)模塊。該模塊集成了第三方專業(yè)病毒查殺模塊，能在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)基于特征的病毒查殺，并提供病毒庫(kù)升級(jí)功能。

（5）NC代碼檢查模塊。該模塊是對(duì)NC代碼文件做檢查的最重要模塊，也是安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)為了適應(yīng)軍工行業(yè)的特殊需求而設(shè)計(jì)的，具體的檢查、處理過程將在后續(xù)做詳細(xì)闡述。

4 NC代碼檢查

從前面小節(jié)對(duì)NC代碼傳輸流程的介紹可知，來(lái)自非密網(wǎng)絡(luò)的文件被傳輸?shù)桨踩綦x與單向?qū)胂到y(tǒng)時(shí)，會(huì)經(jīng)過層層安全訪問控制和內(nèi)容檢查，只有通過所有的策略匹配，才會(huì)允許傳輸?shù)綄?duì)端的工控DNC網(wǎng)絡(luò)。

而“NC代碼檢查”模塊正是檢查環(huán)節(jié)中最重要的一環(huán)。針對(duì)NC代碼文件本身的特殊性，對(duì)文件做進(jìn)一步處理。本文將從實(shí)現(xiàn)層面闡述NC代碼檢查模塊的具體作用機(jī)制[14]。

4.1 NC代碼的特點(diǎn)

不同廠商的數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼格式有所不同，但大多數(shù)代碼格式是相似的[15-18]，遵循了一致的標(biāo)準(zhǔn)。本文以FANUC系統(tǒng)為例做具體介紹。

NC代碼通常是由程序名稱、程序主體以及結(jié)束指令3大部分構(gòu)成。程序名稱標(biāo)記著代碼的開始，由大寫字母“O”和4位數(shù)字組成。程序主體代碼最核心的部分包括許多程序段，而其中每個(gè)程序段又包括一到多個(gè)CNC指令，每個(gè)指令代表數(shù)控設(shè)備要完成的具體動(dòng)作。NC代碼中的結(jié)束指令用來(lái)標(biāo)記代碼的結(jié)束，通常用指令M02或M30表示。車床設(shè)備讀到結(jié)束指令，就會(huì)停止加工。

CNC指令是由代表了特定功能的指令標(biāo)識(shí)和具體的數(shù)據(jù)組合而成的。指令標(biāo)識(shí)通常是大寫英文字母，按照功能的劃分有N、G、M、S、T和F等指令。其中，N類指令用于標(biāo)識(shí)一個(gè)程序段，后跟2～4位正整數(shù)。G類指令為功能指令，用來(lái)設(shè)置具體的加工參數(shù)和操作方式，后跟數(shù)字一般為2位。根據(jù)功能不同，又具體分為00～18共19組，相同代碼段中可根據(jù)需要指定不同組的G指令。此外，G指令還有模態(tài)和非模態(tài)區(qū)分，前者表示指令在同組代碼出現(xiàn)之前一直有效，后者表示指令只在當(dāng)前代碼段中有效。M類指令是用來(lái)設(shè)置數(shù)控設(shè)備輔助功能及其狀態(tài)，后大多跟2位數(shù)字。F指令是用來(lái)設(shè)置刀具切削的進(jìn)給速度，可以配合G指令使用。S指令用來(lái)設(shè)置車床的主軸旋轉(zhuǎn)速度。T指令多用來(lái)設(shè)置加工過程中使用的刀具型號(hào)、偏置和補(bǔ)償參數(shù)。在NC代碼中，經(jīng)常還會(huì)出現(xiàn)很多地址字，如X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K、D、H等，用來(lái)設(shè)置刀具運(yùn)行的坐標(biāo)位置。

代碼段是由若干條CNC指令按照一定結(jié)構(gòu)組合而成的，現(xiàn)在多采用字地址可變代碼段格式。此種格式相較于以往的固定順序格式和分割符格式更加靈活，不再嚴(yán)格要求指令的排列順序，且指令附帶的數(shù)據(jù)位數(shù)是可變的，與上一代碼段相同的續(xù)效字可忽略不寫。這些新特點(diǎn)使得NC代碼更加簡(jiǎn)短、直觀，便于檢查和修改。

4.2 NC代碼檢查模塊

NC代碼檢查模塊根據(jù)NC代碼的組成特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)類，用以表示代碼段和CNC指令等相關(guān)信息，部分代碼片段如下。

NC代碼檢查模塊的實(shí)現(xiàn)流程，如圖8所示。

圖8 NC代碼檢查模塊實(shí)現(xiàn)流程

首先，讀入NC代碼文件，將讀取到的文件內(nèi)容存儲(chǔ)到字符串變量中；其次，通過具體的操作過濾NC代碼中的注釋部分，以換行符作為標(biāo)志，逐個(gè)讀取NC代碼段，并存入CodeSegmentArray中；再次，根據(jù)空格將代碼段拆分為不同指令字符串存儲(chǔ)在m_operation中；最后，繼續(xù)拆分指令，解析為第一個(gè)字符以及第一個(gè)字符外的剩余部分，以此將每個(gè)指令中的地址字和附帶的數(shù)據(jù)剝離開來(lái)，為NC代碼的語(yǔ)法檢查做相應(yīng)的準(zhǔn)備。

另外，NC代碼檢查模塊會(huì)掃描所有的指令。如果掃描出某子程序存在調(diào)用指令M98，則繼續(xù)通過子程序名稱查找對(duì)應(yīng)的代碼，并將其插入到調(diào)用位置。具體插入次數(shù)應(yīng)根據(jù)調(diào)用次數(shù)決定。最后，按照NC代碼的編程規(guī)范，對(duì)提取的代碼段和指令集進(jìn)行具體的語(yǔ)法檢查。

通過NC代碼檢查模塊可以有效攔截非法NC代碼文件，并能在一定程度上對(duì)代碼進(jìn)行自動(dòng)化語(yǔ)法檢查，減少了人工檢查出錯(cuò)的概率，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)安全隔離與信息單向?qū)爰夹g(shù)的發(fā)展日漸成熟，可以真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間硬件上的隔離，已成為防范網(wǎng)絡(luò)攻擊、保護(hù)信息單向安全導(dǎo)入的重要手段。本文介紹了軍工行業(yè)NC代碼文件特殊的傳輸需求，提出了一種基于安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的安全解決方案。文中結(jié)合安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的安全防護(hù)機(jī)制，在NC代碼傳輸流程的基礎(chǔ)上，專門討論了NC代碼檢查模塊的作用原理。綜上所述，本文研究了安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)在工控NC代碼安全傳輸中的應(yīng)用，論述了方案的可行性，并在部分軍工單位得到了試用，具有較大的生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值。

此外，基于安全隔離與單向?qū)胂到y(tǒng)的安全防護(hù)機(jī)制，下一步會(huì)對(duì)接多種工控協(xié)議（如Modbus等），以期該項(xiàng)技術(shù)在工控領(lǐng)域能夠獲得更廣泛的應(yīng)用。