通信電源通常被稱為通信系統(tǒng)的心臟，其工作不正常，將造成通信系統(tǒng)故障，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。因此，為保證整個通信系統(tǒng)的暢通，節(jié)約人力成本和能源損耗，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。通信電源監(jiān)控系統(tǒng)對分布的通信電源設(shè)備和空調(diào)機(jī)房進(jìn)行遙測、遙信和遙控，能實(shí)時監(jiān)視和顯示其運(yùn)行參數(shù)，并自動監(jiān)測和處理系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的故障。
鑒于國外發(fā)達(dá)國家通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)工作較早且產(chǎn)品成熟，我國相關(guān)研究工作通常是先借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)，然后研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)。其中，最關(guān)鍵的問題就是通信協(xié)議的破解。一般的破解思路是通過不斷試探，截獲通信信息，分析其規(guī)律性，進(jìn)而推測得到通信協(xié)議，然后按此協(xié)議發(fā)送指令進(jìn)行驗(yàn)證。這種方法具有一定的盲目性，工作量較大，而且具有一定的局限性。
文中在破解美國Power-One通信電源監(jiān)控系統(tǒng)時，以數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議的一般格式為指導(dǎo)，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)生成的各種文件，通過合理的邏輯推理和分析，破解通信規(guī)約和通信命令，并利用破解的通信命令直接對電源系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控，實(shí)際驗(yàn)證其正確性。這種方法，準(zhǔn)確性高、通用性強(qiáng)，而且節(jié)省時間和精力。
1 通信協(xié)議解析
1．1 解析思路
通信協(xié)議(Communication Protoco1)是兩個實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。以下對Power-One通信電源監(jiān)控系統(tǒng)所采用的通信協(xié)議進(jìn)行破解。
PowCom是一個基于Windows的通信軟件，用于實(shí)現(xiàn)對Power-One的AC／DC電源變換系統(tǒng)的監(jiān)控。破解時，運(yùn)行上位機(jī)軟件PowCom，并利用串口監(jiān)聽工具，截獲Power-One通信電源監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)(PC)與下位機(jī)(即電源控制模塊PCU)之間的通信信息，即捕獲下行(PC→PCU)和上行(PCU→PC)數(shù)據(jù)幀。對于截獲的上下行數(shù)據(jù)幀，首先根據(jù)高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，推理出對通信協(xié)議的格式和各種功能命令；然后根據(jù)菜單界面和監(jiān)控系統(tǒng)生成的各種文件，如配置文件(．pcg)、參數(shù)文件(．prm)、測試文件(．tst)和告警歷史文件等，推理出各種功能命令中數(shù)據(jù)字段的格式。
1．2 協(xié)議破解
基于上述思路，就可以進(jìn)行具體的解析。
首先，將Power-One通信電源監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)(PC)通過串口Com1與PCU相連，運(yùn)行上位機(jī)軟件PowCom，選擇通信(Communication)菜單下的菜單項(xiàng)端口設(shè)置(Port Setup)，選擇COM1口，波特率9 600 bit·s-1，如圖2所示，然后選擇該菜單下的菜單項(xiàng)Direct直接通信(Communicat ion)實(shí)現(xiàn)與PCU連接如圖3所示。注意，通信采用10 bit異步方式：起始位1 bit，數(shù)據(jù)位8 bit，停止位1bil，無校驗(yàn)，波特率9 600 bit·s-1，必須與PCU設(shè)置相同。
依次選擇PowCom各個菜單下的各種監(jiān)控功能，包括通信(Communication)，如圖3所示；監(jiān)控(Supervision)，如圖4所示；使用工具(Uti lities)，如圖5所示，菜單下的各種監(jiān)控功能。參照圖1的一般格式，分析用SUDT SerialTrace Monitor截獲的上下行數(shù)據(jù)幀，推斷通信協(xié)議的格式如下：每個數(shù)據(jù)幀的第一個Byte均為FFH，由此推斷為標(biāo)志字段。最后一個Byte可能是校驗(yàn)和字段，經(jīng)過計(jì)算，它是幀中其他字段的校驗(yàn)和。第2個Byte很顯然是幀長字段。第3和第4個Byte在上下行數(shù)據(jù)幀中數(shù)值總是顛倒，初步推斷為發(fā)送地址字段和接收地址字段，選擇對不同整流模塊進(jìn)行監(jiān)控操作，證明了上述推斷，其中，上位機(jī)的地址始終為00H，下行接收地址為整流模塊的地址。第5個Byte在下行數(shù)據(jù)幀時為01H，而在上行數(shù)據(jù)幀時為00H，推斷為應(yīng)答字段，即00H表示無須應(yīng)答；01H表示必須應(yīng)答。第6個Byte始終為01H，可能是結(jié)構(gòu)控制字段。第7個Byte對每個監(jiān)控功能而言都是惟一的，而在每對上下行數(shù)據(jù)幀中相同，故此推斷為功能碼或命令字字段。最后，第7個Byte與最后一個Byte之間的部分顯然為數(shù)據(jù)字段，其長度為(幀長-8)。
綜合以上的分析推理結(jié)果，得到Power-One通信電源上下位機(jī)間通信協(xié)議的格式，如表1所示。
其中，標(biāo)志字段表示每一幀的開始，取值恒為FFH。幀長字段為幀中所有字段的字節(jié)數(shù)，取值范圍為08H～FFH。發(fā)送地址和接收地址字段分別表示數(shù)據(jù)發(fā)送和接收者的地址，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)地址始終為00H，整流模塊的地址為01H～FFH。應(yīng)答字段表示接受者是否需要對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行回復(fù)：00H表示無須回復(fù)；01H表示必須回復(fù)。結(jié)構(gòu)控制字段恒為01H。功能碼字段為請求或響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的功能編碼，取值范圍為00H～FFH。數(shù)據(jù)字段為請求或應(yīng)答數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式取決于具體的監(jiān)控功能。校驗(yàn)和字段對幀中其他字段按字節(jié)計(jì)算的校驗(yàn)和，用于檢測數(shù)據(jù)幀在傳輸中是否出現(xiàn)差錯。
在推斷通信協(xié)議的同時，根據(jù)菜單功能與上下行數(shù)據(jù)幀的對應(yīng)關(guān)系，可以解析出Power-One通信電源上下位機(jī)間的各種通信命令，如表2所示。
1．3 數(shù)據(jù)字段解析
在解析出表2中所列出的功能命令以后，下一步的工作就是解析出每一種命令數(shù)據(jù)字段的格式。這本來是一個耗時且繁瑣的過程。但是，只要掌握文中的基本分析方法，特別是有效地利用監(jiān)控系統(tǒng)生成的各種文件，最終能夠獲得令人滿意的結(jié)果。
1．3．1 設(shè)置日期／時間、日期／時間設(shè)置完成
通過上位機(jī)PowCom菜單命令將日期和時間設(shè)置為2011年3月15日15時13分時，如圖6所示，截獲如下的設(shè)置日期／時間下行數(shù)據(jù)幀
將數(shù)據(jù)字段與預(yù)設(shè)定的日期和時間比對后，推斷數(shù)據(jù)字段的格式如表3所示.
其中，YY為年份(0～99)；MM為月份(1～12)；DD為日(1～31)；hh為小時(0～23)；mm為分鐘(0～59)，所有數(shù)據(jù)Byte以16進(jìn)制表示。注意應(yīng)答字段為01H，表示PCU必須回復(fù)。
此時，截獲到PCU回復(fù)如下的日期／時間設(shè)置完成數(shù)據(jù)幀，表示日期／時間設(shè)置成功。注意應(yīng)答字段為00H，表示PC無須回復(fù)。
FF 08 00 01 00 01 07 10
1．3．2 設(shè)置／更改密碼、密碼設(shè)置完成
通過上位機(jī)PowCom菜單命令將密碼設(shè)置或更改為8888時，如圖7所示，截獲如下的設(shè)置／更改密碼下行數(shù)據(jù)幀
顯然，數(shù)據(jù)字段為密碼數(shù)字的ASCII碼，因?yàn)槭M(jìn)制0～9對應(yīng)的ASCII碼30H～39H。注意應(yīng)答字段為01H，表示PCU必須回復(fù)。
此時，截獲到PCU回復(fù)如下的密碼設(shè)置完成上行數(shù)據(jù)幀，表示密碼設(shè)置成功。注意應(yīng)答字段為00H，表示PC無須回復(fù)。
FF 08 00 01 00 01 08 11
1．3．3 驗(yàn)證密碼、密碼確認(rèn)
當(dāng)通過上位機(jī)PowCom菜單命令輸入錯誤密碼5678時，截獲如下的驗(yàn)證密碼下行數(shù)據(jù)幀
注意應(yīng)答字段為01H，表示PCU必須回復(fù)。此時截獲到PCU回復(fù)如下的密碼確認(rèn)上行數(shù)據(jù)幀
根據(jù)PowCom此時的顯示界面如圖8所示，推斷數(shù)據(jù)字段00H表示密碼錯誤。同樣，應(yīng)答字段為00H，表示PC無須回復(fù)。
當(dāng)通過上位機(jī)PowCom菜單命令輸入正確的密碼8888時，截獲如下驗(yàn)證密碼下行數(shù)據(jù)幀
注意應(yīng)答字段為01H，表示PCU必須回復(fù)。此時截獲到PCU回復(fù)如下的密碼確認(rèn)(password confirmation)上行數(shù)據(jù)幀
數(shù)據(jù)字段01H表示密碼正確。同樣，應(yīng)答字段為00H，表示PC無須回復(fù)。
1．3．4 其他
對于其它數(shù)據(jù)幀的解析，只說明大致的解析方法和過程：在相關(guān)菜單運(yùn)行相應(yīng)的菜單項(xiàng)監(jiān)控功能，將截獲的數(shù)據(jù)幀與菜單項(xiàng)的參數(shù)、配置數(shù)據(jù)等進(jìn)行比對，推斷數(shù)據(jù)字段的格式。另外，在解析很多數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)字段時，參考了系統(tǒng)生成的相關(guān)文件。這樣，既節(jié)省了大量的時間，又提高了推理的準(zhǔn)確性。
(1)借助于配置文件(．pcg)，解析了與配置相關(guān)的數(shù)據(jù)幀，如表2中序號33～36和39～44。
(2)借助于參數(shù)文件(．prm)，解析了與參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)幀，如表2中序號1～6。
(3)借助于測試文件(．tst)，解析了與測試相關(guān)的數(shù)據(jù)幀，如表2中序號7～12。
(4)借助于告警歷史文件，解析了與告警相關(guān)的數(shù)據(jù)幀，如表2中序號25～28。
2 實(shí)際驗(yàn)證
首先利用串口調(diào)試工具替代PowCom上位機(jī)軟件，直接與下位機(jī)PCU通信；然后將以上解析得到的下行(PC→PCU)數(shù)據(jù)幀逐一經(jīng)串口調(diào)試工具發(fā)出，檢查PCU是否正確響應(yīng)，返回正確的上行(PCU→PC)數(shù)據(jù)幀，并正確無誤地完成監(jiān)控工作。
圖9～圖13分別是設(shè)置日期／時間、設(shè)置密碼、請求系統(tǒng)信息、請求歷史告警數(shù)據(jù)和請求系統(tǒng)信息的測試截圖。測試截圖顯示，利用破解的通信命令可以直接與PCU通信，并正確地完成監(jiān)控工作。
以圖9為例加以說明。PC通過串口測試工具向PCU發(fā)送設(shè)置日期／時間下行數(shù)據(jù)幀
通過串口測試工具截獲的PCU回復(fù)如下的日期／時間設(shè)置完成(date／time set)數(shù)據(jù)幀
FF 08 00 01 00 01 07 10
表明設(shè)置日期／時間(set date／time)下行數(shù)據(jù)幀格式正確，PCU能正確識別，并成功設(shè)置日期／時間。
3 結(jié)束語
基于數(shù)鏈層通信協(xié)議一般格式的破解方法，對于各種數(shù)鏈層通信協(xié)議的破解具有通用性。但是，文中的破解結(jié)果具有一定的局限性，原因是Power-One通信協(xié)議的格式和通信命令并不是開放的和通用的。盡管如此，對于通信電源的監(jiān)控管理人員以及通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員仍具有一定的理論指導(dǎo)意義。破解是手段而不是目的，下一步的工作是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適合中國國情，而且適應(yīng)通信電源發(fā)展的監(jiān)控系統(tǒng)和通信協(xié)議。通信電源地理上的分散化，必然要求監(jiān)控的分布式，而分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)必然要求通信協(xié)議的規(guī)范化和統(tǒng)一化。因此，研究工作的重點(diǎn)是我國通信電源分布式監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
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