淺析福建高速公路機電系統計算機信息安全技術的應用

■高玲娜

(三明福銀高速公路有限責任公司，三明 365000)

1 引言

隨著高速公路建設的飛速發展，高速公路聯網成片，信息化也隨之發展得突飛猛進，信息化建設的網絡龐大，涉及領域廣， 對信息安全保障體系建設提出了更高的要求。 截止2015 年底我省高速公路的通車里程已超過5000 公里，路網密度達到每百平方公里4.1 公里，居全國第2 位，達到發達國家水平。隨著高速公路路網的不斷完善，智能交通及信息技術的快速發展，高速公路機電系統的建設和管理也在不斷完善和創新，同時，也面臨著諸多信息安全問題。 如何保障我省高速公路的計算機網絡數據安全已成為一個急需關注的問題。 作為長期被忽略而又屢屢發生的數據安全問題， 已經給我們帶來了很多慘痛的教訓， 數據安全應當引起高速公路機電系統維護部門的高度重視，所謂善戰者無赫赫之名，保障高速公路機電計算機系統正常工作的永遠是靠著各項措施做到位后的數據安全，而不是面對各種大小故障時的搶修。

2 高速公路機電系統計算機設備數據安全存在的問題

2.1 各系統的硬件安全冗余度嚴重不足

通常， 本地計算機硬件上的數據安全冗余度通過建立磁盤陣列RAID1、10、5、6 等方式實現， 但目前各系統工作站、工控機均只安裝有一塊SATA 機械硬盤，無法組建磁盤陣列，當硬盤故障時，系統即崩潰，從而導致數據損毀，尤其是收費系統車道工控機，由于大型車輛通過時不可避免的會發生振動， 導致車道工控機的機械硬盤故障非常高， 通常一塊機械硬盤在車道工控機上的正常工作時間只有半年至一年； 各系統服務器均有安裝多塊SAS 機械硬盤，但組建的磁盤陣列基本為RAID5，這種方式的磁盤陣列雖然不浪費磁盤空間，但安全冗余度較低，如果陣列中故障硬盤數量超過1 塊，磁盤陣列就將崩潰，導致系統故障和數據丟失， 實際運營管理中已經出現過多次多塊硬盤同時故障或未及時發現單塊硬盤故障后續出現第二塊硬盤故障導致的系統崩潰和數據丟失。 此外所有高速機電維護站的計算機系統均未有部署有NAS、磁盤陣列柜等外部存儲， 所有的數據備份都存儲在本地計算機或移動硬盤上，安全性嚴重不足。

2.2 軟件安全防范措施不足

除了硬件故障以外，計算機病毒、木馬等惡意軟件造成的數據安全問題也必須引起高度重視。 但目前我省高速公路計算機系統的軟件安全防范措施還存在很多不足之處，導致永恒之藍、蠕蟲等病毒曾經多次爆發過，造成了收費站癱瘓等嚴重事件。 這些問題發生的重要原因之一就是操作系統補丁與殺毒軟件無法得到及時更新，各機維站均沒有設置更新服務器做到高頻率自動更新，軟件更新仍使用非常落后的優盤拷貝離線升級包升級方式，通常一季度甚至半年才能升級一次病毒庫，而且手動升級上百臺計算機， 對于技術人員來說也是不小的工作量。

2.3 數據備份與恢復手段落后

目前高速公路機維站備份計算機系統數據的方式仍非常原始落后， 基本都是定期手動導出重要數據拷貝到本地計算機、移動硬盤或刻錄到光盤上，出現故障后再導入最近日期數據恢復， 各機維站均未部署自動化備份與恢復設備。人工備份與恢復方式主要問題為：首先無法做到實時備份， 無法恢復故障發生前一刻的狀態， 很多時候，特別是對收費系統數據來說這是非常重要的；其次，備份存儲介質可靠性不高， 本地計算機硬盤和移動硬盤本身就是容易發生故障的電子產品， 光盤如未在合適環境中保存也容易損壞；最后，備份與恢復的效率低下，技術員需要很多時間才能完成系統的數據備份， 在重大事件或節假日期間， 如果提供關鍵功能服務的軟件或計算機突然發生數據故障，不能迅速的恢復正常工作的話，將產生嚴重的社會影響和經濟損失。

3 高速公路機電系統計算機設備數據安全的對策

針對上述問題， 我們根據各系統計算機軟硬件工作特點，設計如下方案以保障數據安全。

3.1 收費系統的數據安全方案

因為涉及到財務對賬問題， 收費系統對數據安全要求最高，工控機、工作站、服務器的數據必須保持完整一致，否則可能將發生賬務錯誤等嚴重問題。收費系統數據還有個特點是新數據產生頻率高，每部車輛通行后，都會在通行車道工控機、 通行收費站服務器及機維站中心服務器產生相應的數據庫文件， 包含有通行車輛照片、車型、出入口等信息。 這些文件體積不大，通常為500KB 以下，但生成頻率高，在省際站甚至可以一個車道30 秒鐘生成一個車輛通行數據庫文件。此外為了保障車道暢通，對服務器、 工作站及工控機的可靠性與快速恢復正常能力也要求很高， 某收費站曾經因為計算機系統中毒導致整個收費站癱瘓，由于缺少備份與快速恢復能力，導致花費了整整24 小時后才恢復正常，在社會上造成很不好的影響。針對收費系統數據特點及要求，我們將采取如下措施優化收費系統數據安全：

(1)應用服務器集群技術，提升服務端可靠性。本方案將取消站級服務器并將其全部遷移至機維站， 與機維站中心服務器組成服務器集群， 服務器集群與單臺服務器相比有如下優勢：由于集群是對應用進行監控，如果當其中一臺服務器出現了硬件方面例如主板、內存的故障時，這臺服務器上的應用就會自動切換到另外一臺服務器上，由其它相關服務器接管這個應用；再或者服務器的應用由于系統方面問題停止了運行， 剩下的相關服務器就會接手這個服務器運行的程序， 這樣就可以解決人為失誤造成的應用系統停止工作的情況。

(2)應用虛擬化技術，滿足業務需求，降低維護成本與難度。在現有收費軟件架構下，車道工控機數據需要傳輸到站級服務器，在不對軟件架構進行修改的要求下，我們需要應用虛擬化技術， 在服務器集群上部署VM ware 等虛擬化軟件，將物理服務器遷移至虛擬服務器上，也就是將物理服務器上的系統狀態和數據“鏡像”到VM Ware提供的虛擬機中，重啟虛擬機后，虛擬服務器即可以替代物理服務器進行工作。 站級服務器和中心服務器在收費軟件架構中的功能為采集、轉發、存儲各類收費數據，絕大部為文本格式數據，部分為1080P 分辨率車牌照片，現有網絡傳輸帶寬完全可以滿足要求， 并且收費軟件服務器端負載較低，對服務器硬件要求不高，因此采用虛擬化技術完全可以滿足收費軟件系統的正常運行。 此外應用虛擬化還有如下好處，首先，虛擬化可以做到集中管理，技術人員對服務器進行檢查只需打開虛擬機管理軟件即可檢查所有虛擬服務器工作狀態， 不必像傳統方式需要分別連接到多個服務器； 其次， 虛擬化提高了軟件兼容性，支持老操作系統與老軟件的持續運行，由于軟件兼容問題， 目前運行老操作系統的服務器在高速公路機電系統中還很普遍， 但新硬件很多已經放棄了對Windows 7之前的操作系統支持，如果舊服務器一旦損壞，且無法維修，就將十分棘手，而虛擬化即可毫無障礙的在新硬件上運行舊操作系統。 再次，現在硬件性能過剩，虛擬化可以將過剩硬件性能利用起來，有新業務需求時，新建一個虛擬服務器即可，不必再采購新硬件，從而節省經費。最后，虛擬化還可以非常方便的實現服務器的部署、 恢復與遷移。

(3)部署NAS，利用實時增量備份功能備份收費數據。NAS (Network Attached Storage)網絡附加存儲：是一種將分布、獨立的數據進行整合，集中化管理，以便于對不同主機和應用服務器進行訪問的技術。 目前市面上應用較多的品牌為群暉、威聯通等。我們在這里以群暉公司產品為例來實現實時增量備份。所謂實時增量備份，就是指當客戶端有任何數據變動時， 則立即將變化部分同步到服務器端。 用實時增量備份技術， 只需使用很少的系統資源，因為僅備份已修改或新增文件。這種備份方式非常適用于因過車而產生頻繁變化的收費數據文件。 在群暉NAS 上， 此功能通過Cloud Station Backup 套件實現，在客戶端(如收費車道工控機、站級服務器、中心服務器)上安裝好Cloud Station Backup 客戶端軟件， 指定好需要備份的收費數據所在文件夾和備份服務器， 即可實現自動化實時增量備份。

(4)利用NAS 完整備份功能實現計算機快速恢復。 將整個計算機所有分區完全備份，即為完整備份。當計算機出現嚴重故障導致系統崩潰， 我們必須使用新硬盤或新機器替換故障設備， 如果采取全新安裝操作系統后再陸續安裝驅動、應用軟件方式恢復計算機系統，將花費非常長的時間。這時候，就可以使用完全備份時的備份鏡像將計算機迅速、完全還原到備份時間點，而無需再重裝驅動和軟件。 我們可以使用群暉NAS 上的Active Backup for Business 這個套件實現完整備份功能， 在客戶端安裝好ActiveBackup for Business Agent 后，我們只要在服務端設置好備份源(通常設置為整機)、備份計劃(通常為每周一次，特別重要的計算機可以設置為更高頻率)和備份鏡像保存時間(通常為一個月)，當客戶端計算機崩潰后，我們使用安裝在U 盤上的Active Backup for Business 復原精靈即可快速恢復計算機到最新備份點狀態， 然后再導入實時增量備份中的數據庫文件， 即可讓收費系統計算機恢復正常工作，整個過程通常不會大于半小時，而采用傳統的重裝系統、安裝驅動、安裝應用程序、導入數據庫備份的方式則往往需要6～8 小時以上。

(5)其它加強數據安全的措施。

首先， 在收費網中搭建操作系統補丁與病毒數據庫更新服務器。 可以在服務器集群中新建一個虛擬服務器專門用于系統補丁與病毒數據庫更新推送服務，這樣，當有系統補丁或病毒數據庫更新時， 技術人員只需將更新包上傳至更新服務器上， 即可及時更新全網計算機操作系統補丁或病毒庫， 從而避免更新滯后導致新型病毒肆虐造成的數據安全威脅。

其次，在各工作站、車道工控機中增加一塊硬盤，組建RAID1 陣列，可以有效降低因硬盤故障出現系統損壞概率，并且將車道工控機機械硬盤更換為固態硬盤，可以避免因大型車輛通過產生振動導致的硬盤損壞。

由于收費數據異常重要， 因此每個收費站與機維中心都應當部署至少兩臺NAS 互相熱備。

3.2 交通監控系統的數據安全解決方案

目前福建高速機維站的交通監控現狀采取省高速信息科技公司開發的統一交通監控軟件與各功能廠家(如火災、緊急電話、交通量調查等)軟件并行方式。 運行統一交通監控軟件計算機故障， 不會導致交通監控功能完全喪失，可繼續使用廠家軟件進行操作。因此對于交通監控系統計算機的數據安全策略優化上， 我們可以考慮經濟性優先的方式。只需要在機維站部署好一臺NAS，針對操作日志、報警日志等數據庫文件做好實時增量備份，對工作站、服務器做好定期完全備份即可。操作系統補丁與病毒數據庫更新服務可以直接部署在交通監控軟件服務器上， 上述這些方式完全可以滿足交通監控系統的數據安全要求，且只需要花費少量費用。

3.3 視頻監控系統的數據安全解決方案

圖1 福建高速收費系統計算機現狀拓撲圖

圖2 優化數據安全措施后的福建高速收費系統計算機拓撲圖

圖3 福建高速交通監控系統計算機現狀拓撲圖

圖4 優化數據安全措施后的福建高速交通監控系統計算機拓撲圖

圖5 福建高速視頻監控系統計算機拓撲圖

圖6 優化數據安全措施后的福建高速交通監控系統計算機拓撲圖

視頻監控系統的主要數據為道路、 收費車道及營區安防監控錄像，錄像保存在硬盤錄像機中。視頻文件一個重要特點就是體積大，存儲24 小時的4Mbps 碼率的錄像需要約43GB 硬盤空間， 這就導致了視頻監控系統的數據存儲成本最高。 一般來說硬盤錄像機作為一種專用的嵌入式計算機設備，可靠度很高，也很難感染病毒，但如果出現硬件故障仍會有可能導致錄像數據丟失。 而如果采用傳統的雙硬盤錄像機熱備方式或用NAS 實行備份，對于每個機維站上千路圖像來說成本又偏高， 要滿足1000 路圖像的存儲15 天的備份要求， 需要增加7 臺24位硬盤錄像機與162 塊4T 硬盤，按現在硬盤錄像機與硬盤市價計算，耗資約為33 萬元。 為滿足經濟性與可靠性的雙重要求，我們可以使用本地攝像機存儲方式解決，即在每臺攝像機上都增加一張64GB 的TF 存儲卡，可以存儲該攝像機15 天左右錄像，這樣就可以解決因為硬盤錄像機故障導致之前錄像丟失并且設備送修期間不能再存儲新錄像的問題。 TF 卡價格目前非常便宜，64GB 的TF卡價格大致在70 元左右，即使是更換1000 臺攝像機，費用也在10 萬元以內， 遠遠低于能存儲1000 臺攝像機錄像的硬盤錄像機雙機熱備方式或NAS 存儲的耗資。 而視頻監控系統的工作站、 服務器數據安全則可以參考交通監控系統方式解決。

4 結語

通過對我省高速公路機電系統計算機信息安全問題的分析，針對各系統計算機軟硬件工作特點，結合高速公路機電系統技術和管理要求， 提出了高速公路機電系統計算機設備信息安全的應對策解， 有效提升機電系統信息安全水平，可保證高速公路機電系統的穩定、安全、可靠的運行，為高速公路的暢通保駕護航。