大數據背景下電力信息系統網絡安全的研究

◆周力 龍玉江 鐘掖

大數據背景下電力信息系統網絡安全的研究

◆周力1龍玉江2鐘掖2

（1.貴州電網有限責任公司畢節黔西供電局 貴州 550015；2.貴州電網有限責任公司信息中心 貴州 550002）

電力信息系統安全性要求比較高，在大數據時代，電力信息系統逐步形成大數據中心，電力信息系統安全防護要求更高。本文首先對電力信息系統的需求分析、總體設計等方面的內容進行分析，以此為基礎，對網絡信息安全展開研究。在大數據背景下，對網絡安全的研究引入海量數據的概念，本文采用Hadoop技術對電力信息系統中的海量數據進行采集和存儲，采用MapReduce技術對電力信息系統中海量數據進行檢索。從用戶身份驗證、密鑰加密、容災備份等角度對電力信息系統安全防護措施進行設計。該系統與其他的系統相比，創新點在于：將大數據技術引入到了網絡安全的管理中來，通過數據挖掘技術來實現安全預警信息之間的關聯關系，可以變“事后處理”為“事前預防”，提高安全事件的響應能力，提高網絡安全的預防能力。

大數據；電力信息系統；信息安全；網絡安全

近年來，我國的電力行業得到了快速的發展，服務模式和理念也都得到了一定程度的創新，很多的業務都可以通過電力信息系統來完成，方便了用電用戶，也提高了管理人員的工作效率。但是，在互聯網時代，電力信息系統所受到的網絡安全威脅也是非常大的，全國所有的居民信息幾乎都能夠在電力信息系統中查到，所以，電力信息系統的網絡安全的關注度越來越高。本文主要就是對電力信息系統展開分析和設計，并在此基礎上采用Hadoop技術對電力信息系統中的海量的數據進行采集和存儲，采用MapReduce技術對電力信息系統中的海量的數據進行檢索。從用戶身份驗證、密鑰加密、容災備份等角度對電力信息系統的安全防護措施進行了設計。基于大數據平臺，提出了電力信息系統的網絡安全應用技術和方法，以此來滿足電力信息系統下海量數據的分析處理和高質量的安全防護要求。

1 系統功能需求分析

研發的電力信息系統主要是用來解決一些業務上的實際問題，而安全性方面的要求則是電力信息系統中性能需求的一部分，在該小節主要是對電力信息系統在功能性方面的需求進行分析和描述[10-12]。

（1）存儲功能分析。電力行業所服務的用戶比較多，每天會產生大量的業務數據信息，在電力信息系統中，要通過采集設備對這些信息進行采集，要能夠對這些信息進行統一規范的存儲。當前，我國已經進入了大數據時代，對海量數據的信息處理能力要求更高。在大數據時代，可以通過對客戶的用電情況進行分析，分析這些用戶在用電過程中存在的問題。通過對電力設備的運行狀態的變化情況進行趨勢分析，可以發現潛在的一些問題，對安全隱患進行快速的解決，確保用電用戶的人身安全。

（2）安全需求分析

在電力信息系統中，不僅包括用電用戶的基本信息，而且還包括購買用電的消費記錄信息，這些交易信息是非常重要的，涉及用戶的資金安全。所以，系統在安全性方面必須制定相應的安全機制。不僅要在網絡環境方面做安全防護措施，而且還需要在信息存儲、用戶訪問權限、業務處理的編程等角度來進行安全防護。采用加密方法對敏感數據進行加密處理；采用角色權限控制的方法實現用戶操作權限的靈活配置；在編程實現的時候，盡可能地將SQL語句進行封裝，采用參數傳遞等方式進行業務處理，避免SQL語句的注入[16]。

2 電力信息系統總體設計

系統的體系架構設計是非常關鍵的，一定程度上不僅決定了系統是否能夠滿足用戶的實際業務操作需要，而且也決定了系統是否能夠長期穩定的運行，是否能夠順應時代的變化靈活的擴展相應的功能。所以，在對體系架構進行設計的時候，不僅要考慮到當前的需求，也需要考慮到日后系統可能會發生的一些改變和功能擴展[17]。

在對電力信息系統進行架構設計的時候，采用的是分層架構的設計思想，將系統分為了：數據層、服務層和Web層，通過服務接口向不同的用戶提供不同的業務處理服務。在該系統中將用戶分為了三大類：系統管理員、普通用戶以及其他管理員，在Web層進行操作功能顯示的時候，就已經按照這些用戶的操作權限進行分類顯示。Web層主要就是用來接收用戶的操作請求以及顯示業務的處理結果的。服務層主要就是按照Web層發送來的操作請求，靈活的調用相關的方法，執行業務邏輯處理，并將處理結果反饋給Web層[18]。數據層主要就是來對相關的業務數據信息進行存儲和規范管理的。這三個層次通過封裝確保了內部的獨立性，通過接口完成交互，確保系統的完整性。其中，電力信息系統的總體架構設計如圖1所示。

圖1 系統總體架構

3 網絡信息安全分析架構

在電力信息系統中，數據來源很多，有些信息需要被動采集，有些信息是主動傳輸過來的，比如：電力信息采集設備會主動地將采集到的終端信息上傳到服務器。然而，這些信息來源不同，數據格式也就不同，根據數據格式形式，將這些采集到的數據進行分類存儲。目前電力行業推出了很多的應用系統，有：用電用戶管理系統、遠程抄表系統、電費繳納系統等等，在這些系統中包含有很多業務信息，要通過接口實現對這些信息的自動化采集。除了接口自動化采集之外，還可以通過導入等方式進行集成化處理。數據采集是建立大數據平臺的第一步，這一步必須要處理好，只有處理好了，才能夠采集到有價值的可利用的業務信息。

海量的數據存儲完成之后，如果不利用，也沒有任何的價值，所以數據分析層是該平臺中的核心的層次。在數據分析層，主要就是根據實際業務的需要，對數據之間的關聯關系進行挖掘分析，為網絡安全分析管理提供重要的參考依據。在該層，對數據進行分析的時候，可以采用關聯分析、機器學習、聚類分析、特征檢測以及流式計算等技術對數據進行分析。在對業務數據信息進行統計分析處理的時候，往往要遵循一定的業務規則，在該系統中也需要提供規則的靈活定義的功能，這樣用戶就可以根據自己的實際業務操作需要，自定義統計分析的規則和條件，系統會自動地按照規則進行數據信息的統計，并以直觀的形式給出顯示。

數據分析完成之后，還需要通過可視化的形式顯示出來，這樣用戶才可以查看到分析結果，進而根據分析結果來制定相關的決策。因為不同的用戶關心的業務數據信息是不一樣的，所以在顯示層，要根據用戶的實際業務操作需要對相應的分析結果進行展示，并且還需要提供多種數據結果顯示形式，比如：數據列表的形式、餅狀圖形式、折線圖形式以及雷達圖形式等。

從前面的分析可知，網絡安全分析平臺主要有三部分組成：數據采集部分、數據存儲部分以及數據分析部分，其中，該平臺的技術架構如圖4所示。

圖4 網絡安全分析平臺技術架構

電力信息系統采用的是HDFS來對采集到的海量信息進行存儲的。電力企業服務的用戶比較多，在各個地區都設置了相應的服務部門，為了提高信息的處理效率，本系統在對數據進行存儲的時候，采用的是分布式的存儲方式，各地區服務器可以獲取到基本的信息進行存儲，這樣在對業務進行處理的時候，可以通過本地服務器讀取基本信息，效率會比較高。

各應用服務器在對數據進行分析處理的時候，通過本地服務器獲取基本信息，并將處理結果實時的同步到總服務器。在進行業務處理的時候，采用的是批量處理機制，實現并發事務的分布式并行處理。

4 大數據電力信息安全技術應用

在電力信息系統中，為了管理的需要，將基于大數據的網絡安全分析平臺嵌入到該系統中，在網絡安全分析平臺中主要包括了海量數據的存儲以及分析處理能力。針對海量數據的存儲和管理，可以使用到的技術比較多，針對電力信息系統的業務需要，通過對比分析之后，論文選用了Hadoop技術和MapReduce技術分別來實現海量數據的存儲和海量數據的檢索。不僅如此，還采用了身份認證技術、加密技術、容災備份機制等等確保了平臺的安全。其中。大數據信息安全技術架構設計如圖5所示。

圖5 大數據信息安全技術架構

4.1 電力信息海量存儲及處理技術

海量數據的存儲和采集是日積月累產生的，通過對采集到的信息進行異構化處理，并采用Hadoop技術將這些規范的數據統一的存儲到數據中心，實現海量數據的存儲。而對海量數據的檢索則需要在科學的時間內做出響應，所以，海量數據的檢索是非常關鍵的。本文主要是采用MapReduce技術來對海量數據進行檢索處理的。下面主要對基于Hadoop的海量數據的存儲和基于MapReduce的海量數據的檢索給出簡單的介紹。

（1）基于 Hadoop的海量數據存儲

電力信息系統不同于其他的系統，電力信息系統不僅需要支持系統用戶的訪問，而且還需要支持很多類型的終端設備的接入，比如：用電信息采集設備，需要實時地將用電情況上傳到服務器，而終端數量比較大，為了提高存儲效率，論文采用了 HDFS技術。不僅如此，論文還在該系統中設置了緩沖區，這樣當海量數據存儲處理不過來的時候，可以將存儲請求放在緩沖區，等待空閑時間在進行數據的上傳處理。

（2）基于 MapReduce的海量數據檢索

電力企業服務的客戶比較多，電力企業在各個地區都設置了服務中心，并且終端設備比較多，所以系統的復雜性很高。而為了提高這些終端設備和用戶的信息檢索能力，論文采用了MapReduce技術，設計了性能高效的數據檢索算法，用戶如果要想對信息進行檢索，只需要根據實際業務的需要輸入相關的檢索條件即可。

4.2 電力信息安全技術

前面已經說明了，在電力信息系統中，主要采用身份認證技術、密鑰加密技術以及容災備份技術來對系統進行安全防護，在這里對這三個技術給予說明。

（1）身份認證技術。系統中所有的用戶信息都必須存儲在數據庫中，并且為每一個用戶都分配賬號，初始密碼為默認的密碼，用戶首次登錄系統之后，系統會要求用戶對密碼進行修改的。系統采用靈活的操作權限的控制方法，當用戶登錄系統的時候，系統首先判斷用戶名和密碼是否輸入為空，如果為空，則提示用戶進行輸入，如果不為空，則判斷用戶名是否有效。如果用戶名有效的話，則通過用戶名獲取到數據庫中記錄的密碼信息，與前臺用戶輸入的密碼進行匹配判斷，匹配成功，則說明密碼準確，反之，則說明密碼不準確。身份校驗成功之后，系統根據用戶名獲取到該用戶所屬的角色，進而獲取到該角色所擁有的操作權限，動態靈活的加載系統的操作界面。

（2）密鑰加密技術。系統中存儲的業務信息比較多，尤其對于一些交易信息而言，涉及用電用戶的資金安全，為了對這些敏感的數據進行安全防護，采用了加密技術。然而密鑰的生成和保存也是非常關鍵的，論文采用的是動態生成密鑰的機制。

（3）容災備份機制。系統的服務器集群由數據庫服務器、應用服務器和文件服務器等組成，這些服務器放置在實際的物理環境中，所受到的影響因素比較多，不可避免地會出現一些突然情況。為此，論文采用容災備份機制，設置備份服務器，將相關業務信息實時的備份到備份服務器，這樣當服務器發生突發情況的時候，可以立即啟動備份服務器，確保系統的整運行。

5 結語

文中針對電力信息系統的功能性需求與安全性需求分析的基礎上，設計了基于大數據的電力信息系統，并給出總體架構、技術架構設計以及功能的詳細設計。考慮到電力信息數據數量大且具有私密性，因此本系統設計了面向電力信息系統的網絡安全分析平臺，并結合大數據技術，提出了基于大數據信息安全技術應用模塊，采用身份認證技術，根據用戶名獲取到該用戶所屬的角色，進而獲取到該角色所擁有的操作權限；采用密鑰加密技術對敏感的數據進行安全防護，采用容災備份技術設置備份服務器，將相關業務信息實時的備份到備份服務器，當服務器發生突發狀況時，可立即啟動備份服務器，確保系統的整運行，通過三種技術對系統進行安全防護，可以有效保障電力信息系統安全。另外，本文又引入數據挖掘技術獲取安全預警信息之間的關聯關系，將“事后處理”轉換為“事前預防”，提高了電力信息系統網絡安全預警精度，保證了電力信息系統網絡安全。

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