基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全傳輸方法設(shè)計(jì)

劉心怡

（柳州市地理信息中心，廣西 柳州 545000）

0 引言

現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的表現(xiàn)形式主要包括三種，分別為安全體系、平臺(tái)體系與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)度與使用中，由于傳統(tǒng)開發(fā)技術(shù)受限，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu)較為簡單。

盡管現(xiàn)有的TCP/IP部署已相對(duì)完善，但考慮到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)部署十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，其中不僅涉及超過1 000種缺失安全通信機(jī)制的工業(yè)控制程序，也包括通信現(xiàn)場總線與工業(yè)協(xié)調(diào)等內(nèi)容[1]。同時(shí)，不同終端企業(yè)的數(shù)據(jù)通信接口與網(wǎng)絡(luò)接口存在差異，且多個(gè)終端通信網(wǎng)絡(luò)具有封閉式特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全協(xié)議的深度分析造成影響。

下面提出三個(gè)針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全問題。一是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議較多，但大部分通信協(xié)議缺乏安全機(jī)制支撐，協(xié)議之間的融通較為困難。二是現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)種類較多，但網(wǎng)絡(luò)傳輸信道缺少專項(xiàng)保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致安全傳輸工作無法完全落實(shí)[2]。三是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)行中仍缺少對(duì)于終端接入用戶的身份驗(yàn)證體系，用戶之間的身份無法被有效識(shí)別，極易為一些網(wǎng)絡(luò)不法分子提供可乘之機(jī)。為了全面落實(shí)并推進(jìn)此項(xiàng)工作，本文以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)行中的現(xiàn)存問題作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全傳輸方法，以此種方式，為面向此類互聯(lián)網(wǎng)的終端企業(yè)單位提供技術(shù)層面的指導(dǎo)與幫助。

1 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全傳輸方法設(shè)計(jì)

1.1 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的前端數(shù)據(jù)加密

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的安全傳輸，需要在開展相關(guān)設(shè)計(jì)前，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)前端數(shù)據(jù)流進(jìn)行重組。在此過程中，根據(jù)TCP對(duì)端連接信息的該結(jié)構(gòu)，獲取傳輸兩端的信息所屬IP地址信息，通過對(duì)該信息在節(jié)點(diǎn)中邏輯狀態(tài)的描述，提取回調(diào)函數(shù)中的鏈表信息、客戶端數(shù)據(jù)狀態(tài)信息、服務(wù)端數(shù)據(jù)狀態(tài)信息[3]。在此基礎(chǔ)上，使用HASH函數(shù)，對(duì)相同節(jié)點(diǎn)上不同的位置進(jìn)行獲取，根據(jù)HASH中的索引值，對(duì)數(shù)據(jù)流對(duì)端進(jìn)行TCP連接，根據(jù)數(shù)據(jù)緩存與TCP通信會(huì)話的需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新拼接，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)前端數(shù)據(jù)流的重組。

在重組數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上，設(shè)定加密系數(shù)，通過分組加密的方式處理數(shù)據(jù)。在此過程中，將加密系數(shù)設(shè)定為DFS，明確此系數(shù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中大多以分塊存在的方式呈現(xiàn)[4]。為了確保加密后的網(wǎng)絡(luò)信息可以均勻分布在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，將加密系數(shù)與每一個(gè)數(shù)據(jù)流明文分組進(jìn)行匹配，以“明文→加密→密文”的方式呈現(xiàn)，其過程描述如圖1所示。

圖1 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的前端數(shù)據(jù)加密

將上述過程與定制密碼加密模塊進(jìn)行匹配，使用專用的數(shù)據(jù)接口與明文分組數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，確保數(shù)據(jù)接口與工控端保持通信連接后，對(duì)明文進(jìn)行加密處理。以此種方式，實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的前端數(shù)據(jù)加密處理。

1.2 數(shù)據(jù)安全傳輸

完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)加密處理的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全傳輸，數(shù)據(jù)安全傳輸前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)安全性與完整性的校驗(yàn)。在此過程中，以MD5技術(shù)與PoR技術(shù)作為支撐，對(duì)提出的兩種技術(shù)進(jìn)行融合，當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中任意一個(gè)云端數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的MD5數(shù)值也將發(fā)生改變[5]。因此，只需要在檢驗(yàn)中進(jìn)行MD5數(shù)值的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流是否完整的精準(zhǔn)分析，檢驗(yàn)時(shí)，選取一部分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，獲取節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)劃分成若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行元數(shù)據(jù)的分析，并將識(shí)別到的有效元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到第三方空間，由供應(yīng)商與第三方進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)[6]。檢驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流完整性標(biāo)準(zhǔn)化校驗(yàn)流程

完成了上述對(duì)數(shù)據(jù)流的完整性校驗(yàn)后，在重組的數(shù)據(jù)組中增加數(shù)據(jù)安全協(xié)議，此次選擇的通信協(xié)議為SSL協(xié)議，將此協(xié)議作為參照，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信數(shù)據(jù)的安全代理保障。在此過程中，應(yīng)明確此次選擇的SSL協(xié)議，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中是一個(gè)在TCP基礎(chǔ)上衍生的全新協(xié)議。通過對(duì)此協(xié)議的端點(diǎn)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的流通信道的加密處理。在基于此種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)安全傳輸代理時(shí)，需要先在客戶端配置SSL協(xié)議，確保客戶端與Web端通信服務(wù)器保持良好的通信連接，然后在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)公開信道上進(jìn)行密文協(xié)議的傳遞，并在網(wǎng)絡(luò)中的私有信道上，進(jìn)行代理服務(wù)的加密處理。當(dāng)外網(wǎng)區(qū)域存在通信任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，代理服務(wù)器將啟動(dòng)代理模塊，通過協(xié)議認(rèn)證的安全數(shù)據(jù)將主動(dòng)被存儲(chǔ)到服務(wù)器中，反之，呈現(xiàn)公開狀態(tài)的隱患數(shù)據(jù)將需要進(jìn)行證書的授權(quán)，當(dāng)多方條件均達(dá)到后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的安全傳輸。

1.3 后端數(shù)據(jù)落盤加密

在解密前端加密數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定新的加密系數(shù)，在引入落盤加密技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)后端數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以此種方式，確保對(duì)端數(shù)據(jù)在通信中的安全性。具體而言，后端數(shù)據(jù)落盤加密的基本流程如下：

首先，后端用戶需要在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上完成對(duì)賬號(hào)的注冊(cè)，并在通過驗(yàn)證后，獲取到用于解密的公鑰PB。利用這一公鑰PB完成對(duì)明文DA的落盤加密，并以此得到密文MA。

然后，使用SHA556散列加密的方式將標(biāo)識(shí)符從CA轉(zhuǎn)變?yōu)镠C，并利用HC作為AES的密鑰，完成對(duì)CA和MA的加密，以此獲取到后端用戶的加密文件。將HC和MB進(jìn)行打包處理，并結(jié)合URL安全編碼，將處理后的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的后臺(tái)。

當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)接收到數(shù)據(jù)包后，以HC作為密鑰完成對(duì)CA和MA的識(shí)別，并判斷其散列結(jié)果是否與HC相符。若數(shù)值相同，則說明公鑰一致，可打開密文，獲取數(shù)據(jù)信息；若數(shù)值不相同，則說明公鑰不一致，無法打開密文獲取數(shù)據(jù)信息，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)后端數(shù)據(jù)的加密，確保后端數(shù)據(jù)信息的安全性。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本文在引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的數(shù)據(jù)傳輸方法。為了能夠更加直觀地對(duì)本文介紹的數(shù)據(jù)傳輸方法的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，選擇本文介紹基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的傳輸方法和傳統(tǒng)的Hadoop平臺(tái)的傳輸方法分別作為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。

為了確保實(shí)驗(yàn)的客觀性，兩種傳輸方法均采用相同的傳輸協(xié)議，并通過RS-485發(fā)送裝置對(duì)其進(jìn)行差動(dòng)傳輸。在這一過程中，將雙絞線的驅(qū)動(dòng)長度設(shè)置為220.0 m。接收端采用FPG完成對(duì)發(fā)送端發(fā)出實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的接收。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為1.0 h，在傳輸過程中，將兩種傳輸過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測計(jì)算機(jī)，并設(shè)置讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間為5.0 s。針對(duì)兩種傳輸方法的有效傳輸速率進(jìn)行計(jì)算，其公式為

式中，v表示有效傳輸速率；m表示成功被接收端接收到的有效數(shù)據(jù)信息；s表示傳輸總耗時(shí)。由此計(jì)算得出兩種傳輸方法的有效傳輸速率，并將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組傳輸方法有效傳輸速率記錄圖

從圖3中可以看出，隨著傳輸時(shí)間的不斷增加，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組傳輸方法的接收端接收到的數(shù)據(jù)量逐漸增加，而應(yīng)用對(duì)照組傳輸方法的接收端接收到的數(shù)據(jù)量逐漸減少。從有效傳輸速率也能夠看出，在相同的傳輸時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組的有效傳輸速率數(shù)值更高，而對(duì)照組的有效傳輸速率數(shù)值較低。因此，通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的初步證明，本文提出的基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的傳輸方法在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的有效傳輸速率。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩種傳輸方法安全性能的檢驗(yàn)，再針對(duì)兩種傳輸方法在應(yīng)用過程中接收端和發(fā)送端數(shù)據(jù)的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)安全系數(shù)的計(jì)算公式為

式中，γ表示接收端或發(fā)送端數(shù)據(jù)的安全系數(shù)；T表示數(shù)據(jù)中隱私信息總量；T'表示傳輸過程中沒有實(shí)現(xiàn)脫敏的隱私信息總量；M表示數(shù)據(jù)總量。結(jié)合式（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組兩種傳輸方法發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)安全系數(shù)計(jì)算，并得到表1的結(jié)果。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組的傳輸方法無論是接收端還是發(fā)送端其安全系數(shù)均明顯高于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組最高安全系數(shù)為98.2%，而對(duì)照組最高安全系數(shù)僅為60.1%這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，安全系數(shù)越高說明數(shù)據(jù)的安全性越強(qiáng)。因此，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的傳輸方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠在確保數(shù)據(jù)安全的前提條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速傳輸，充分體現(xiàn)傳輸?shù)陌踩院蜁r(shí)效性。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組數(shù)據(jù)安全系數(shù)記錄表

3 結(jié)束語

本文從前端數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)安全傳輸、后端數(shù)據(jù)落盤加密三個(gè)方面，對(duì)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全傳輸方法展開了研究與設(shè)計(jì)，并將此方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比對(duì)，證明了本文設(shè)計(jì)的傳輸方法能夠保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，達(dá)到預(yù)期安全目標(biāo)。總之，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性，是保證基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)全面轉(zhuǎn)型的前提條件，也是實(shí)現(xiàn)企業(yè)在市場內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)展與安全生產(chǎn)經(jīng)營的關(guān)鍵。盡管此次研究證明了設(shè)計(jì)的方法具有一定實(shí)用性，但要在真正意義上將設(shè)計(jì)的方法在市場內(nèi)進(jìn)行推廣，還需要在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，對(duì)本文設(shè)計(jì)成果進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，通過大量實(shí)驗(yàn)找出設(shè)計(jì)成果的不足，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全傳輸方法的全面優(yōu)化。