工業互聯網感知層多端口安全訪問控制系統設計

黃海艇，徐盼，唐沸濤

（工業互聯網創新中心（上海）有限公司，上海 200232）

工業互聯網是一種新型的互聯網應用模式，其融合了工業經濟與信息通信技術，能夠在基礎設施結構的作用下，構建“人與人”、“人與物”、“人與機”之間的全面連接關系[1]。在構建網絡的過程中，同時涉及智能化、網絡化、數字化等多項應用技術。這些技術能夠在維持網絡主機間通信傳輸關系的同時，保證數據信息的傳輸穩定性，一方面實現了由單一應用網絡到多元化網絡的轉變，另一方面也避免了其他傳輸信息對主體網絡造成的攻擊與影響，從而使得整個互聯網主機可以長時間維持相對穩定的連接狀態[2]。

在工業互聯網的感知層終端環境中，由于傳輸數據信息訪問行為的不確定性，個別信息參量極易受到外界干擾要素的影響，這也是導致工業互聯網主機不能對傳輸數據信息訪問行為進行有效控制的主要原因[3]。傳統仿生架構型控制系統雖然能夠準確區分工業互聯網訪問數據所處的實時傳輸位置，但卻難以在信息與信息之間建立精準的互通關系，這不但影響了互聯網主機對于數據信息參量傳輸行為的控制有效性，也使得網絡主機與底層數據參量之間的訪問緊密性不斷下降[4]。

為解決上述問題，在仿生架構型控制系統的基礎上，設計了一種新型的工業互聯網感知層多端口安全訪問控制系統。

1 安全訪問控制系統硬件設計

1.1 多端口拓撲電路

多端口拓撲電路能夠提供工業互聯網感知層組織所需的電流與電壓，并可在PORT 單片機、網絡驅動機、感應電阻等多個應用元件的支持下，對數據信息的訪問連接行為進行精準控制，具體連接結構示意圖如圖1 所示。

圖1 多端口拓撲電路示意圖

在實際應用過程中，工業互聯網服務器始終位于多端口拓撲電路下端。隨著電信號傳輸量的不斷增大，該元件兩端所負載的物理電壓數值水平也會逐漸增大[5-6]。

PORT單片機作為多端口拓撲電路的核心應用結構，能夠記錄互聯網電源中的電量傳輸行為，并可以在網絡驅動機元件的作用下，確定互聯網訪問數據所能達到的最遠傳輸距離，從而使整個工業互聯網感知層組織成為一個完全獨立的多端口應用結構。

1.2 三相級聯H橋變流器

三相級聯H 橋變流器作為多端口拓撲電路的下級連接結構，由S 族系、D 族系、W 族系三個應用單元共同組成。其中，S 族系單元包含兩個H 橋變流器，其中一個變流器設備負責調度工業互聯網感知層終端中的訪問數據，另一個變流器設備則可對已接收的數據信息訪問連接請求進行加工與處理[7]。D 族系單元包含四個H 橋變流器，在工業互聯網感知層多端口安全訪問控制系統中，這些變流器結構的物理型號完全相同，同時對各項數據傳輸信號起到功能性整合作用。W 族系包含兩個H 橋變流器，兩者的物理作用能力基本相同，主要負責在分類數據訪問信號的同時，將這些傳輸信息參量導入至系統數據庫主機之中[8]。三相級聯H 橋變流器的具體連接結構示意圖如圖2 所示。

圖2 三相級聯H橋變流器結構示意圖

由于三相級聯H 橋變流器結構的存在，工業互聯網感知層主機中始終不會出現明顯的數據信息堆積行為，這也是傳輸編碼信息對傳輸轉碼信息的訪問占用率能夠得到較好控制的主要原因。

1.3 DC/DC信號變換器

DC/DC 信號變換器負責執行由互聯網感知層輸入信號到訪問信號的轉換指令，可在三相級聯H 橋變流器的基礎上，對各類型信號參量進行二次加工與處理，從而使得工業互聯網主機中的數據信號能夠長期保持相對穩定的傳輸形式[9]。

在實際應用過程中，DC/DC 信號變換器必須與訪問控制系統的數據庫主機元件相連，一方面可避免互聯網感知信息出現過度外溢的情況，另一方面也可縮短訪問數據所需的傳輸時間，從而將工業互聯網主機快速調度至最佳狀態[10-11]。

從功能性角度來看，DC/DC 信號變換器具備較強的數據信息整合能力，既能滿足信號與信號之間的訪問連接需求，也可以避免不合理訪問連接指令的生成，從而在根本上解決由數據信息堆積而引發的訪問請求連接能力較弱的問題。

2 安全訪問控制系統軟件設計

2.1 多端口訪問協議

多端口訪問協議作用于訪問控制系統三相級聯H 橋變流器與DC/DC 信號變換器元件之間，由信息包頭結點、數據信息過渡文件、信息包尾節點三部分共同組成。具體協議定義形式如下：

1）信息包頭結點：對于工業互聯網感知層的數據訪問信息而言，頭結點定義了數據參量的初始傳輸位置，且由于主機連接端口的同步開放，所有數據信息都能夠保持同步傳輸狀態，此時互聯網主機也能夠自發對傳輸信息進行控制與管理[12]。

2）數據信息過渡文件：存在于信息包頭結點與信息包尾節點之間，能夠容納多種形式的互聯網訪問數據，從而大大緩解了數據庫主機所面臨的信息參量存儲壓力。

3）信息包尾節點：對于工業互聯網感知層的數據訪問信息而言，尾節點定義了數據參量的傳輸目的地，隨著數據信息傳輸量的增大，尾節點定義項的存在數量水平也會不斷增大。

2.2 編碼密鑰備份

編碼密鑰備份是工業互聯網感知層多端口安全訪問控制系統設計過程中的必要處理環節，在三相級聯H 橋變流器、DC/DC 信號變換器等多個硬件應用設備均處于穩定連接狀態的情況下，系統主機所制定的數據信息訪問控制指令，完全遵循編碼密鑰的備份處理結果[13-14]。

假設kα表示工業互聯網感知層傳輸數據的明文定義向量，kε表示密文定義向量，其中α表示訪問數據的明文信息編碼系數，ε表示密文信息編碼系數。聯立上述物理量，可將多端口安全訪問控制系統中的編碼密鑰備份條件表示為：

式中，?表示訪問數據的篩查系數項，表示單位時間內的訪問數據傳輸均值量，表示工業互聯網感知層端口中的數據信息訪問特征值。編碼密鑰備份條件約束了互聯網訪問數據在感知層端口中的傳輸行為，一般來說，待備份的數據信息越多，系統主機對于訪問連接指令的控制能力也就越弱，反之則越強。

2.3 訪問信息認證

在已知編碼密鑰備份條件的基礎上，可通過訪問信息認證的處理方式，實現對控制系統執行指令有效性的排查。在不考慮其他干擾條件的情況下，系統訪問信息認證指令的制定必須同時考慮數據信息感知系數、訪問指令行為項兩項物理指標的影響[15-16]。

將數據信息感知系數常表示為r，在工業互聯網感知層組織中，該項指標參量的取值始終屬于[1,e)的物理區間。訪問指令行為項常表示為φi，i作為一個既定的數據信息標定指標，其取值結果不會大于自然數“1”。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將工業互聯網系統主機所遵循的訪問信息認證表達條件定義為：

式中，β表示訪問數據信息的實時編碼系數，q表示訪問信息排查項，表示系統主機中的訪問信息變換權限，λ表示既定的訪問信息變換指標，ΔT表示數據信息訪問控制指令的單位編碼時長。

對于工業互聯網主機而言，只有得到控制系統認證的訪問信息才能在感知層多端口結構間自由傳輸。

3 實驗與分析

設計如下實驗驗證工業互聯網感知層多端口安全訪問控制系統的可行性。實驗中，將多端口安全訪問控制系統作為實驗組，將傳統仿生架構型控制系統作為對照組。

編碼信息、轉碼信息都是工業互聯網感知層終端中的關鍵傳輸數據，在實際通信過程中，兩類信息的傳輸能力都會出現一定程度的變化。訪問占用率是指數據傳輸過程中，編碼信息對于轉碼信息訪問行為的占用水平。一般來說，占用率指標的數值水平越低，則表示工業互聯網主機對于傳輸數據信息訪問行為的控制越嚴格。

圖3反映了訪問占用率指標的理想數值變化情況。

圖3 訪問占用率指標的理想數值

分析圖3 可知，在數據信息順序傳輸的情況下，編碼信息對轉碼信息的訪問占用率水平始終呈現波動式變化狀態。當時間取值為20 min 時，其占用率指標達到最大值45.3%；當時間取值為25 min 時，其占用率指標達到最小值40.0%。在數據信息逆序傳輸情況下，編碼信息對轉碼信息的訪問占用率水平也呈現來回波動的變化狀態，當時間取值為25 min時，其占用率指標達到最大值55.0%；當時間取值為15 min 時，其占用率指標達到最小值45.3%。

表1 記錄了實驗組、對照組訪問占用率指標在數據信息順序傳輸情況下的實驗數值水平。

表1 訪問占用率指標（順序傳輸）

分析表1 可知，在數據信息順序傳輸的情況下，隨著實驗時間的延長，實驗組訪問占用率指標表現出不斷波動的數值變化狀態，但其單位變化幅度相對較小，整個實驗過程中，其最大值達到了42.6%，與理想最大值45.3%相比下降了2.7%。對照組訪問占用率指標雖然也呈現出不斷波動的數值變化狀態，但其單位變化幅度明顯較大，全局最大值達到了55.4%，與理想最大值45.3%相比上升了10.1%，更遠高于實驗組占用率指標的最大值。

表2 記錄了在數據信息逆序傳輸的情況下，實驗組、對照組訪問占用率指標的數值水平。

表2 訪問占用率指標（逆序傳輸）

分析表2 可知，在數據信息逆序傳輸情況下，隨著實驗時間的延長，實驗組訪問占用率指標始終保持不斷下降的數值變化趨勢，其實驗均值42.0%，與理想平均值50.2%相比下降了8.2%。對照組訪問占用率指標則呈現出先上升、再穩定、最后下降的數值變化狀態，整個實驗過程中，其平均取值結果為52.3%，與理想平均值50.2%相比上升了2.1%，更明顯高于實驗組平均數值水平。

綜上可知，在應用該文設計的多端口安全訪問控制系統后，編碼信息對轉碼信息訪問占用率指標的數值水平得到了較好控制，與傳統仿生架構型控制系統相比，更能輔助工業互聯網主機對傳輸數據信息的訪問行為進行嚴格控制。

4 結束語

在傳統仿生架構型控制系統的基礎上，設計了多端口安全訪問控制系統，其聯合了三相級聯H 橋變流器與DC/DC 信號變換器，通過編碼密鑰備份處理的方式，對待傳輸的訪問信息進行認證與篩查。從實用性角度來看，編碼信息對轉碼信息訪問占用率指標的實際數值水平得到了較好控制，在解決工業互聯網主機對傳輸數據信息訪問行為控制不嚴格的問題方面，具有較強的實用性價值。