鐵路應(yīng)用云平臺的優(yōu)勢及安全防護(hù)措施探討

1 背景

鐵路應(yīng)用程序產(chǎn)品通常具有很長的使用壽命，而其所用半導(dǎo)體硬件的生命周期卻相對較短。這種差異對于制造商和運(yùn)營商而言是一個挑戰(zhàn)：一方面，客戶要求半導(dǎo)體產(chǎn)品制造商具有長期的后續(xù)交付能力;另一方面，摩爾定律預(yù)測半導(dǎo)體性能每2年提高1倍，這導(dǎo)致舊硬件和新硬件在功能和處理速度方面的差距會日益增大，使既有硬件存在過時的問題。此外，半導(dǎo)體價格還會持續(xù)下降。

隨著鐵路領(lǐng)域數(shù)字化的發(fā)展，對于軟件的要求不斷提高，使用新型硬件的需求也日益增長。因此，產(chǎn)生了以下問題：

（1）運(yùn)營商和制造商如何解決上述矛盾，并從未來半導(dǎo)體組件的快速發(fā)展中獲得更多收益;

（2）如何在不斷變化的應(yīng)用環(huán)境中長期安全地運(yùn)行現(xiàn)有應(yīng)用程序軟件;

（3）如何使軟件改寫和開發(fā)的成本最小化和易管理。

而在云計算平臺（以下簡稱“云平臺”）中，之前為特定硬件編制的軟件無需更改即可在商用現(xiàn)貨（COTS）硬件上運(yùn)行，這有助于解決上述問題，并且能夠充分利用新硬件的價格優(yōu)勢，是創(chuàng)新性的解決方案。

2 云平臺概述

近年來，云平臺已在信息技術(shù)（IT）中逐步發(fā)展起來。德國聯(lián)邦信息安全局（BSI）給云計算的定義是，根據(jù)需求通過網(wǎng)絡(luò)提供、使用和計費(fèi)的IT服務(wù)，此類服務(wù)的提供和使用僅通過規(guī)定的技術(shù)接口和協(xié)議實(shí)現(xiàn)。其服務(wù)范圍涵蓋整個IT領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)架構(gòu)（如計算能力、存儲空間）、平臺和軟件。云計算服務(wù)可提高分布式軟件的運(yùn)行效率、可用性和可擴(kuò)展性。其基礎(chǔ)是將功能強(qiáng)大的硬件完全虛擬化，以降低硬件資源的成本，通過應(yīng)用程序的冗余運(yùn)行實(shí)現(xiàn)其高可用性，并實(shí)現(xiàn)在不中斷應(yīng)用程序運(yùn)行的前提下隨時更換硬件的目標(biāo)，使程序的維護(hù)和修改得以簡化。目前，此類服務(wù)相關(guān)的主要研究方向是其可用性，即可靠性、可維護(hù)性及信息安全性之間的相互關(guān)系和作用。

圖1展示了典型的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)。其中，淺灰色部分是COTS硬件和軟件，黑色部分是適用于特定應(yīng)用程序的軟件，紅色部分是云平臺基礎(chǔ)設(shè)施，具體包括以下模塊。

（1）前端。前端是用戶控制云平臺的管理界面，用戶可通過該界面啟動和停止應(yīng)用程序，更改資源配置，如主內(nèi)存、中央處理器（CPU）內(nèi)核數(shù)等。

（2）云控制器。該功能實(shí)現(xiàn)了從平臺到云的轉(zhuǎn)變。云控制器的功能是控制和協(xié)調(diào)云計算，負(fù)責(zé)控制虛擬機(jī)（VM）在現(xiàn)有物理主機(jī)上的部署。此服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)許多功能，例如，將1個應(yīng)用程序（APP）冗余地部署到2 個VM上。

（3）數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)存儲器用于保存VM的鏡像備份，以及提供網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可確保每個VM僅根據(jù)其配置進(jìn)行通信，并在必要時獲取自己的IP地址。為此，需要通過虛擬局域網(wǎng)（VLAN）或軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)僅允許在規(guī)定的VM之間進(jìn)行消息路由。除此之外，動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）和域名系統(tǒng)（DNS）也是示例性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。DHCP無須手動配置網(wǎng)絡(luò)接口便可將客戶端連接到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，如果相應(yīng)客戶端的操作系統(tǒng)支持，則可自動分配諸如IP地址、網(wǎng)絡(luò)掩碼、網(wǎng)關(guān)、域名等必要信息。由于IP地址可以在網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)更改，因此用于解析域名的DNS也是最重要的服務(wù)之一。

（5）表決器（voter）。表決器是一個與平臺相關(guān)的服務(wù)，可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行配置。表決器的功能是驗(yàn)證所有消息的準(zhǔn)確性及其執(zhí)行情況是否正常，從這一點(diǎn)上看，它也是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可保障云平臺的安全性。

（6）VM。VM通常由應(yīng)用程序和運(yùn)行該應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)組成。

（7）管理程序。管理程序是構(gòu)建VM的關(guān)鍵，它將硬件劃分為多個虛擬組件。為提高軟件的執(zhí)行速度，機(jī)器指令通常設(shè)置為本地執(zhí)行;但與程序代碼的本地執(zhí)行不同，此處可使用仿真器，在軟件中模擬真實(shí)CPU的指令集。這意味著，為特定硬件編制的軟件無須更改便可在其他硬件上運(yùn)行，這對于解決硬件過時的問題非常有利。

（8）主機(jī)操作系統(tǒng)（Host OS）。Host OS是主機(jī)上的操作系統(tǒng)，在圖1中是COTS組件。

云平臺服務(wù)分為公有云和私有云2類。其中，公有云服務(wù)一般由供應(yīng)商提供，供公眾或大型集團(tuán)/團(tuán)體（如整個工業(yè)部門）使用;而私有云中的云基礎(chǔ)設(shè)施則僅供某個機(jī)構(gòu)單獨(dú)使用，可由該機(jī)構(gòu)或第三方組織和管理，建立在自有或第三方計算中心基礎(chǔ)上。由于鐵路是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，必須確保第三方未經(jīng)授權(quán)不能對其進(jìn)行訪問，因此鐵路行業(yè)在這一點(diǎn)上達(dá)成了共識，即鐵路應(yīng)用程序應(yīng)在私有云中運(yùn)行。

3 鐵路應(yīng)用云平臺的優(yōu)勢

鐵路應(yīng)用云平臺的使用對運(yùn)營商具有以下優(yōu)勢：

（1） 軟件的運(yùn)行與硬件（仿真器）的開發(fā)分離，可解決現(xiàn)有硬件過時的問題;

（2） COTS硬件平臺的購置成本較低，可通過使用標(biāo)準(zhǔn)IT設(shè)備實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益;

（3） 可將仿真器遷移到任意服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施上，因此云平臺的可維護(hù)性顯著提高，維護(hù)活動也集中在少數(shù)中央服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施上;

（4） 冗余服務(wù)器可以自動轉(zhuǎn)移故障，從而使系統(tǒng)具有更高的可用性，如可以在自然災(zāi)害后快速恢復(fù);而且當(dāng)一個物理硬件發(fā)生故障時，另一個物理硬件可立刻接管相應(yīng)功能。

4 鐵路應(yīng)用云平臺的安全防護(hù)措施

4.1 設(shè)置冗余VM

為保障鐵路應(yīng)用程序安全地運(yùn)行，可以在云平臺中通過使用一個或多個（通常是相同的）冗余VM維持系統(tǒng)的容錯能力，其具體功能如下。

（1）避免物理硬件發(fā)生故障，如硬盤、內(nèi)存（RAM）、CPU，以及計算機(jī)的電源系統(tǒng)。常用解決方案是，通過云控制器將冗余VM設(shè)置在不同的物理硬件上，必要時，也可將其分配到多個計算中心（跨地域復(fù)制）中。通過對各個物理硬件進(jìn)行冗余的不間斷供電，解決電源引起的故障。

（2）避免在COTS硬件和軟件中出現(xiàn)系統(tǒng)性錯誤，如CPU命令、操作系統(tǒng)、管理程序或仿真器錯誤。為能夠在COTS軟件（主機(jī)操作系統(tǒng)）中檢測系統(tǒng)錯誤，可以在應(yīng)用程序中設(shè)置具有所需安全完整性等級的監(jiān)控措施，如通過接口監(jiān)視COTS軟件（即系統(tǒng)調(diào)用）;為避免COTS硬件出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤，可以通過多種方式重新設(shè)計COTS硬件，如使用Intel公司或AMD公司生產(chǎn)的不同處理器。

（3）利用VM在云平臺中的異步性識別系統(tǒng)錯誤。由于各個VM并非同步執(zhí)行，因此短期的影響（如電壓波動）不會對應(yīng)用程序、管理程序和操作系統(tǒng)處于同一狀態(tài)的所有主機(jī)產(chǎn)生干擾。這導(dǎo)致各VM對系統(tǒng)錯誤的反應(yīng)不同，系統(tǒng)錯誤也因此可以被識別。

4.2 系統(tǒng)錯誤檢測

對危險系統(tǒng)錯誤的檢測可以通過特定的監(jiān)視程序（監(jiān)視器）實(shí)現(xiàn)。該監(jiān)視器在冗余VM中運(yùn)行，而VM必須定期向監(jiān)視器報告，如果監(jiān)視器未收到報告，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。設(shè)置監(jiān)示器時，必須確保其與被監(jiān)視的應(yīng)用程序不在同一物理硬件上。然而，云平臺面臨的挑戰(zhàn)是存在一個異步網(wǎng)絡(luò)，因此無法保證報告消息能夠在規(guī)定的時間范圍內(nèi)到達(dá)，這使系統(tǒng)組件間的時間同步變得困難。此時，可利用其他方式解決這一問題，如消息ID所包含的邏輯時間或COTS CPU的時鐘生成器，但這2種方式并不十分精確。絕大多數(shù)情況下，消息傳輸時間都較為穩(wěn)定且足夠短，因此有充足的時間用于處理超時;但是在極少數(shù)情況下，可能會出現(xiàn)誤報，即系統(tǒng)無故障卻檢測到超時。

4.3 表決器的安全通信連接

一個程序要生效和執(zhí)行，必須經(jīng)過大多數(shù)VM的許可，這一點(diǎn)通過表決器實(shí)現(xiàn)。在云平臺上，由于虛擬機(jī)是通過虛擬網(wǎng)絡(luò)與表決器連接的，因此需要采取其他措施確保各組件之間的通信安全，具體如下。

（1）防篡改。通常使用檢錯碼（如奇偶校驗(yàn)位、CRC32、MDS、SHA256）或糾錯碼（漢明碼、里德-所羅門碼、BCH碼、卷積碼）檢測數(shù)據(jù)存儲器或消息中數(shù)據(jù)的損壞。

（2）防插入、重新排序、重復(fù)和遺漏。通常通過增加消息計數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

（3）防延遲。如果消息的發(fā)送時間過長，則可以為其設(shè)置時間戳，使其在一定時限內(nèi)有效。對此的基本要求是系統(tǒng)時間同步功能正常。

（4）防人為操控。為防止人為攻擊，通常使用加密密鑰或一次性密碼簿（OTP），這些技術(shù)可防篡改，微小的改動就會產(chǎn)生極易識別、令人難以置信的數(shù)據(jù)。對于中間人攻擊（即攻擊者攔截消息，并將其任意篡改，再轉(zhuǎn)發(fā)出去），可以使用加密簽名的方法解決。每個發(fā)件人擁有一個只有自己知道的私鑰，可以用它簽署自己發(fā)出的消息。而所有接收者都有來自發(fā)送者的對應(yīng)公鑰（預(yù)先使用Diffie-Hellman密鑰交換算法等進(jìn)行交換），以此可驗(yàn)證發(fā)送者是否正確。

5 結(jié)語與展望

鐵路應(yīng)用程序是保障鐵路安全、順暢運(yùn)營的重要一環(huán)，傳統(tǒng)的解決方案存在硬件資源利用率低、管理及維護(hù)成本高等問題，而云平臺解決方案則為其發(fā)展提供了一個新的方向。對于云平臺面臨的安全方面的考驗(yàn)，可通過采取各種安全防護(hù)措施得以解決。相信在未來，鐵路應(yīng)用云平臺必將得到完善和廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Arthur Martens， Bj?rn Cassens， Lars Schnieder. L?sung von Obsoleszenzproblemen durch verl?ssliche Cloud-Plattformen[J]. Signal+Draht，112（6）：38-44.

收稿日期 2020-08-25

責(zé)任編輯 蘇靖棋