以太網(wǎng)物理隔離條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)同步

張忠寶 劉春梅

(1.大連博瑞致信息技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116023； 2.大連大地基礎(chǔ)工程有限公司，遼寧 大連 116023)

企業(yè)信息化系統(tǒng)已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)、辦公的重要組成部分，尤其“兩化”融合以來變得更為重要。信息化系統(tǒng)為企業(yè)帶來重要價(jià)值的同時(shí)，也為企業(yè)帶來信息安全隱患。企業(yè)敏感、隱私數(shù)據(jù)泄漏事件屢有發(fā)生，在2015年—2018年期間，企業(yè)數(shù)據(jù)泄露事件數(shù)量變化不到200起，而且2019年上半年，數(shù)據(jù)泄露事件與2018年同比增長(zhǎng)54%。如何防止企業(yè)泄露是企業(yè)信息化過程中必須克服的痛點(diǎn)。大型企業(yè)在信息化過程中可以請(qǐng)專業(yè)信息安全領(lǐng)域公司專業(yè)指導(dǎo)完成，從而保障企業(yè)信息安全的需要，但是，對(duì)于中小企業(yè)由于資金短缺，信息化規(guī)范有限的情況下如何防止數(shù)據(jù)泄露。最簡(jiǎn)單直接的方法就是在網(wǎng)絡(luò)層阻斷企業(yè)隱秘?cái)?shù)據(jù)與外網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))的交互，將企業(yè)隱秘?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在公司內(nèi)(局域網(wǎng))中。企業(yè)為數(shù)據(jù)安全做內(nèi)外隔離的同時(shí)，也造成非隱秘?cái)?shù)據(jù)的隔離，因此在做數(shù)據(jù)安全時(shí)，企業(yè)希望非隱秘?cái)?shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)層物理隔離的前提下自由交換。

網(wǎng)絡(luò)物理隔離僅能通過人工定時(shí)導(dǎo)入，這種方案會(huì)增加人工成本，而且不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步；采用網(wǎng)閘會(huì)提高硬件采購(gòu)成本，中小企業(yè)無能力承受。其實(shí)，在同步數(shù)據(jù)量較小的情況下，可以采用計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，并定義好串口通信的私有協(xié)議，而且基于串口通信，意味著以太網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)物理隔離。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，將主程序及子程序封裝、抽象成不同的類，運(yùn)行時(shí)各個(gè)類對(duì)象之間相互獨(dú)立，提高軟件的復(fù)用度，實(shí)現(xiàn)松耦合設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)傳輸層，采用多線程技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

1 數(shù)據(jù)同步軟件設(shè)計(jì)

按照計(jì)算機(jī)串口通信的規(guī)范，使用串口線將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的串口相連，本文采用全雙工的RS232通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞。軟件設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

串口通信過程中經(jīng)常會(huì)遇到丟包問題，因此必須有完整的數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，防止數(shù)據(jù)傳輸過程的丟包現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生丟包時(shí)，數(shù)據(jù)必須重新傳送。因此在串口通信過程中，保證數(shù)據(jù)的完整性，是程序編寫的難點(diǎn)之一。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸格式

因?yàn)榇趥鬏斢衼G包問題，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸不完整，因此發(fā)送方必須告訴接收方本次傳輸了多少字節(jié)。另外，信息化系統(tǒng)中，交換的數(shù)據(jù)可能表示不同的邏輯，因此要根據(jù)交換數(shù)據(jù)的種類，定義不同的相應(yīng)事件，接收端接到不同的數(shù)據(jù)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的事件，處理已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)如圖2所示。

事件代碼：占2個(gè)字節(jié)；

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：占2個(gè)字節(jié)；

數(shù)據(jù)主體：值傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，建議不超過5k；

結(jié)束標(biāo)識(shí)：占1個(gè)字節(jié)。

2.2 傳輸數(shù)據(jù)方式

傳輸數(shù)據(jù)可以采用逗號(hào)分割的CSV文件格式、XML格式或者JSON格式。

CSV文件：逗號(hào)分隔值純文本文件。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用CVS文件的規(guī)范，格式化待傳輸數(shù)據(jù)，方便于表示和解析二維表關(guān)系型數(shù)據(jù)。

由于CSV是純文本形式，很難解決二進(jìn)制圖片，文本中存在分隔符的問題。所以，簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)可以考慮CSV方式傳輸，CSV冗余數(shù)據(jù)最少。

XML：跨平臺(tái)的擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，可用于不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，字符、圖片、視頻、音頻等復(fù)制結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可輕而易舉地編譯成XML數(shù)據(jù)，XML數(shù)據(jù)能夠在不同程序中傳輸及解析。但是，XML傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)冗余過多，原本串口的帶寬就不高，XML帶來的數(shù)據(jù)冗余增加了傳輸負(fù)擔(dān)。一般情況下，不推薦這種數(shù)據(jù)傳輸方式。

JSON：目前為止，互聯(lián)網(wǎng)上輕量級(jí)的、最為流行的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。JSON使用逗號(hào)、大括號(hào)及中括號(hào)等符合分割數(shù)據(jù)，取代了XML的標(biāo)識(shí)符。JSON和XML從可讀性、可擴(kuò)展性、編碼難度、解碼難度等方面相比，JSON均不輸于XML，而且傳輸數(shù)據(jù)冗余遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于XML，因此推薦JSON作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷健?/p>

2.3 二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸

在采用JSON傳輸數(shù)據(jù)的前提下，經(jīng)常會(huì)遇到二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸，例如圖片的傳輸。

利用JSON傳輸圖片時(shí)，可以采用兩種方法，以C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)為例：

1)字符串方式，步驟如下：a.將圖片轉(zhuǎn)成字節(jié)數(shù)組;b.將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)為字符串;c.將字符串壓縮，放入JSON中傳輸。

2)Base64傳輸：a.圖片序列化為二進(jìn)制流；b.二進(jìn)制流轉(zhuǎn)成Base64；c.將圖片的Base64編碼放入JSON中傳輸。

2.4 本地緩存

兩臺(tái)電腦通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，通常是將接收到的數(shù)據(jù)寫入遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器或文件系統(tǒng)中。由于同步過程實(shí)時(shí)進(jìn)行，無法保證在訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)暢通，因此需要將同步接收的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存到本地，待網(wǎng)絡(luò)暢通時(shí)，將緩存的數(shù)據(jù)寫入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)或文件系統(tǒng)中。所以，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)需要本地緩存機(jī)制，從而保障同步系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

本地?cái)?shù)據(jù)緩存分為兩類數(shù)據(jù)處理，關(guān)系文本數(shù)據(jù)采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)緩存，二進(jìn)制文件數(shù)據(jù)，直接緩存到本地文件系統(tǒng)中。SQLite，是一種輕量級(jí)的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，支持多種平臺(tái)，讀寫速度快，占用資源少，因此在嵌入系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。因此，串口傳輸過程中，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)交換過程中的緩存數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 運(yùn)行環(huán)境

推薦環(huán)境：

Window 7/2008/Embedded，F(xiàn)rameWord 4.0以上。

也可以使用Linux操作系統(tǒng)，采用C/C++或Java等語(yǔ)言開發(fā)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)

4.1 界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)必須直觀、簡(jiǎn)潔、易操作。頁(yè)面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)同步過程的報(bào)告，能夠直觀的看到數(shù)據(jù)同步數(shù)據(jù)量，正確接收數(shù)量，正確處理了多少數(shù)據(jù)。頁(yè)面設(shè)計(jì)如圖3所示。

4.2 系統(tǒng)出錯(cuò)處理設(shè)計(jì)

當(dāng)軟件故障時(shí)，自動(dòng)重啟服務(wù)端和客戶端軟件，即使恢復(fù)數(shù)據(jù)同步機(jī)制，同時(shí)留有日志。

5 系統(tǒng)結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)串口通信原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)物理隔離的情況下，如何利用計(jì)算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)內(nèi)外數(shù)據(jù)的自動(dòng)同步技術(shù)，從而降低企業(yè)信息化系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)交換而產(chǎn)生的人工成本，提高工作速度，達(dá)到數(shù)據(jù)信息及時(shí)更新反饋，經(jīng)本系統(tǒng)的編程設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果表明，各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)，達(dá)到預(yù)期，設(shè)計(jì)滿足要求。