數字化制造設備狀態信息防泄漏系統設計

牧濤

摘? 要： 針對以往信息防泄漏系統大都采用手工操作模式，對于信息防泄漏效果較差，為了從根本上解決問題，結合數字化制造設備，對設備狀態信息防泄漏系統進行優化設計。結合數字化制造設備車間信息化方案，設計系統總體結構，由TMDS解碼、隨機置亂、編碼和外圍配置組成的PCB疊層處理板可避免信號反射、串擾和傳輸損耗。采用ADV7612型號芯片設計的接收器支持3D格式，保證信息能夠實時接收。利用I2C通信電路配置解碼芯片，控制視頻信號的置亂位，保證數據傳輸過程的穩定。添加信息防泄漏規則，將信息分成若干個信息塊，并組合成鏈式數據結構，通過計算最初數據矩陣，獲取用戶指紋，依據該指紋防止信息被泄露，由此完成系統設計。通過實驗對比結果可知，該系統信息防泄漏效果比傳統系統效果要好。

關鍵詞： 信息防泄漏; 設備狀態信息; 數字化制造; I2C通信; 用戶指紋; 信息安全

中圖分類號： TN918?34; TP309? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）11?0092?05

Design of leakage prevention system for state information

of digital manufacturing equipment

MU Tao

（Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology， Beijing 100076， China）

Abstract： As most of the past information leakage prevention systems adopt manual operation modes and have poor information leakage prevention effect， they are optimized in combination with the digital manufacturing equipment to solve the problem fundamentally. The overall structure of the system is designed in combination with the informationization scheme of the digitized manufacturing equipment workshop. The PCB laminated processing board composed of TMDS decoding， random scrambling， encoding and peripheral configuration can avoid signal reflection， crosstalk and transmission loss. The receiver with ADV7612 chip supports 3D format and ensures real?time reception of information. The I2C communication circuit and decoding chip are utilized to control the scrambling bit of video signal and ensure the stability of data transmission process. Some information leak?proof rules are added to divide the information into several information blocks， and compose them into a linked data structure. The users′ fingerprints are obtained by calculating the initial data matrix. With the fingerprints， the information leakage is prevented. The system design is completed then. The experimental results show that the information anti?leakage effect of the system is better than that of the traditional system.

Keywords： information leakage prevention; equipment status information; digital manufacturing; I2C communication; user fingerprint; information security

0? 引? 言

針對我國制造企業長期受到數控設備高效率運行工作因素的影響，將數字化建設作為根本解決之道進行深入研究[1]。在設備生產制造階段，普遍使用數字化自動加工裝置，為運行創新打下堅實基礎，傳統系統依然采用手工操作模式，該模式下信息保護與泄露問題尤為嚴重，直接影響到數字化制造設備的運行狀態[2]。因此，必須采取有效措施解決信息泄漏問題。

針對訪問、控制的安全技術無法從根本上解決信息泄露問題，本文對設備狀態信息防泄漏系統進行了優化設計。

1? 系統總體結構

數字化制造設備主要流程為：

1） 將電子CAD導入PCB設計的布局圖之中，進行拼板處理以及測試點設定，經過審批后通過企業內部網絡形成統一分發程序。將統一的物料數據庫與企業資源計劃物料庫同步，保證物料用于正確產品，并利用監控器監控物料在整個環節的流動與變化。

2） 自動收集生產數據，并實時統計，如果通過率低于設定的閾值，那么系統將發出報警提示音，實現工藝制程管控，避免對工藝缺陷的猜測。

3） 將數據庫中所有數據歸攏，通過數據信息隨時查看車間作業[3]。

數字化制造設備車間信息化方案如圖1所示。

依據上述數字化制造設備狀態信息設計系統結構。從系統總體設計到各個功能模塊的劃分，對于信息防泄漏系統的設計是基于原始系統基礎上，在框架層上增加相應服務模塊實現的一個應用組件[4]。采用MVC架構，將數據處理控制與界面顯示分離，從信息防泄漏系統框架層功能到相應應用層模塊分別設計。

系統總體結構如圖2所示。

由圖2可知，該系統由應用層和框架層兩部分組成。其中，應用層主要負責界面顯示和后臺數據處理，而框架層與應用層連接，進行信息交互，可實現監管信息的保護[5]。

1.1? 處理板

信息防泄漏處理板位于應用層處理模塊之中，該處理板主要由TMDS解碼、隨機置亂、編碼和外圍配置4個模塊組成，如圖3所示。

一旦輸出信號被界定為低壓差分信號，對于計算機顯卡來說，它需要通過解碼模塊對低壓差分信號進行處理，在這個階段會將音頻與視頻信號進行拆分，拆分后的像素信號會被轉化成串行信號，而音頻信號會通過配置器分配給編碼區，然后通過FPGA模塊實現隨機序列的生成，并完成數據的采集，實現像素信號的置亂處理[6]。經過置亂處理后，編碼芯片能夠對接收到的信號進行解密處理，并將處理效果返回給顯示設備，在解碼芯片與編碼模塊正常工作的情況下，通過控制開關，實現對信號的置亂控制[7?10]。

對于處理板層數越多、信號越密集的問題，需將原理圖導入到PCB中進行布局布線[11]。采用四層處理板PCB疊層結構，如圖4所示。

從上到下層次之間的介質為FR4，厚度分別是5 mil，40 mil，5 mil。利用該處理板的疊層結構可消除信號不完整問題，因此在PCB布局布線前后，出現的信號反射、串擾和傳輸損耗都可有效避免[12]。

1.2? 接收器

防漏信息接收器具有高效性與實時性，是一種對數字化制造設備狀態進行及時監控的系統，對于設備器件的選型較為嚴格。信息防泄漏處理板上使用的解碼芯片為ADV7612型號芯片，這種芯片與雙通道線纜集成，能夠提高信息接收效率，支持1080P高清視頻播放，同時支持多種音頻格式傳輸。

ADV7612接收器引腳連接圖如圖5所示。

采用ADV7612型號芯片具有2[∶]1多路復用功能，支持3D格式，最高使用頻率為300 MHz，線纜長度高達25 m，其內置的HDCP密鑰支持音頻數據包傳輸，并且每個引腳接口都具有對應的熱插拔狀態。

1.3? 通信協議I2C電路設計

利用I2C通信協議能同步高速和低速器件，允許系統具備主從機高品質串行總線，其電路連接示意圖如圖6所示。

將所有連接到的器件之間通過串行數據線進行信息傳遞與交換，每個連接到的器件都會分配一個IP地址。當總線與主機器件相連時，主機相當于發送器，而其他器件為接收器?？偩€上的ADV7612型號解碼芯片和ADV7511型號編碼芯片與總線連接，且串行時鐘能夠進行雙向工作，也就是說，串行時鐘能夠接收數據，同時也能夠發送數據。電路正常連接狀態下，兩條線路都需通過電阻[R1]連接到電源上;當電路處于空閑狀態時，兩條總線為高電平，保證數據傳輸過程的穩定。

2? 系統軟件程序設計

數字化制造設備狀態信息防泄漏系統軟件程序主要由服務器軟件和客戶端軟件兩部分組成，其中，服務器完成身份認證、用戶管理、文件權限管理、數據管理和策略管理;客戶端完成用戶對所需文件的訪問和共享。

軟件程序設計是為了給系統提供被加密程序，保證系統硬件結構和軟件程序能夠建立加密聯系，實現對數字化制造設備狀態信息的保密。利用區塊鏈技術實現軟件程序設計，將硬件設備采集到的信號傳送至相應服務器之中，通過調用微軟USB接口將主機與總線的數據交換，為數據傳輸提供支持，也可用來開發商城軟件功能。主機應用程序通過調用設備驅動控制相應接口，使文件保存到程序源碼中，利用[Sx2SendVendorReq（）]函數對寄存器進行直接訪問。通過調用[Sx2GetDeviceDesc（）]函數直接查詢相應設備信息，并利用數據包發送加密指令，通過直接仿真設備接口，調用[Device Control（）]函數向驅動程序發送讀寫內容，進而完成明文密鑰的發送。

軟件實現流程如下所示：

1） 連接硬件設備。

2） 查看設備連接是否成功？如果成功，則立刻發送明文密鑰;否則，發送錯誤信息報告。

3） 等待加密處理。

4） 接收密文并保存。

根據上述實現流程，分析信息防泄漏安全準則，并利用區塊鏈技術實現系統設計。

2.1? 信息防泄漏安全準則

綜合考慮各種安全因素，在ISO27002標準基礎上制定信息防泄漏安全準則，如圖7所示。

1） 采用身份認證安全控制方式，防止信息被竊取，并對殘留信息進行處理和保護。

2） 通過“產出—編輯—審閱—修改—刪除”等步驟保護數據生命周期安全。

3） 對于存儲數據方式不同的系統，需要分別對其傳輸手段、狀態屬性等進行充分考率，對不同存儲方式應用不同手段，有效防止信息泄露。

2.2? 信息防泄漏技術實施

針對信息防泄漏技術的實施，利用區塊鏈技術，按照信息防泄漏安全準則，將數字化制造設備狀態信息分解，按照一定順序組合為鏈式結構，以信息加密方式保存，具體實施過程如下所示：

將數字化制造設備狀態信息源節點分解成若干份信息塊，將分解后的信息塊發送到目標保護節點之中。由于信息源節點分解過程中會產生若干個維向量，而在每個維向量中都具備若干個小分量，因此，可將這些分量依次記為[z1，z2，…，zr]，據此可將加密過程描述為如下形式：

[f=zi1，zi2，…，zif，? ? i=1，2，…，r] （1）

利用硬件結構中的編碼設備進行信息編碼處理，由此獲取的矩陣為：

[y1y2?yr=z11z12…z1fz21z22…z2f????zr1zr2…zrfx1x2?xf] （2）

式中[y1，y2，…，yr]表示在[t]周期內捕獲[r]個經過編碼處理后的數據包。

數字化制造設備狀態信息源節點在完成編碼時，需對編碼信息向量進行統一整理，由此獲取經過編碼后的數據包。由于經過編碼處理后的數據包具有無限性，因此，獲取的最初數據矩陣可表示為：

[x1x2?xr=z11z12…z1fz21z22…z2f????zr1zr2…zrfy1y2?yf] （3）

根據最初數據矩陣，獲取用戶加密指紋，該指紋是由512個字節組成的，通過這些字節組成的指紋存儲形式是以密鑰形式存儲的，安全等級系數較高，由此完成系統程序設計。

3? 實? 驗

在云計算環境下對數字化制造設備狀態信息防泄漏系統設計合理性進行驗證分析。

3.1? 實驗參數設置

實驗參數設置如表1所示。

使用Crypto API庫函數計算可降低耗費成本，使用128 bit密鑰，可保證系統性能測試不受到成本影響具有精準檢測結果。

3.2? 信息讀寫性能分析

在云計算環境下，將傳統系統與數字化制造設備狀態信息防泄漏系統的讀寫性能進行實驗驗證分析。

3.2.1? 隨機讀性能

在不同信息塊大小下，對系統隨機讀性能信息安全吞吐率變化進行對比分析，結果如圖8所示。

由圖8可知：在隨機讀性能下，當數據量為512 Kb時，傳統系統吞吐率達到最高為12 000 Kb/s;當數據量為1 024 Kb時，優化系統吞吐率達到最高為7 200 Kb/s。

3.2.2? 隨機寫性能

同理，在不同信息塊大小下，對系統隨機寫性能信息安全吞吐率變化進行對比分析，結果如圖9所示。

由圖9可知：在隨機寫性能下，當數據量為1 024 Kb時，兩種系統吞吐率都達到最高，傳統系統和優化系統吞吐率依次為12 700 Kb/s和5 000 Kb/s。

傳統系統出現吞吐率過高的主要原因是傳統系統信息防泄漏過程出現延遲，導致數據響應時間變長，而優化后的系統設定了信息防泄漏安全準則，不會出現延遲過程。

3.3? 信息安全性分析

優化后的系統進行信息防泄漏安全準則制定，而傳統系統并無該準則，因此為了分析信息的安全性，將兩種系統進行對比分析，結果如表2所示。

分析表2可知，本文所設計系統能夠有效防止信息的泄漏，提高系統的安全性能，改變以往應用結構。

3.4? 信息防泄漏效果對比分析

根據上述分析情況，對比兩種系統信息防泄漏效果，結果如表3所示。

通過表3對比結果可以發現：優化系統信息防泄漏效果比傳統系統信息防泄漏效果要好，當信息塊大小為16 Kb時，優化系統信息防泄漏效果達到最高為0.981 2;當信息塊大小為8 Kb時，傳統系統信息防泄漏效果達到最高為0.556 3。由此說明，數字化制造設備狀態信息防泄漏系統優化設計后防泄漏效果更好。

4? 結? 語

信息保護與防泄漏是推進數字化制造設備穩定運行的主要因素，也是制造行業關注的重點。在結合數字化制造設備狀態信息安全和風險基礎上提出的系統設計，可通過Dropbox搭建實驗平臺證實該系統的實用性，這對于數字化制造設備的推廣與應用具有指導性意義。

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