數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全問(wèn)題分析

◆李遠(yuǎn)達(dá)

（大慶油田第二采油廠信息中心 黑龍江 163000）

在信息化時(shí)代下，油田生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中也在加大對(duì)信息技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用極大推動(dòng)了數(shù)字油田的建設(shè)，而且從根本上實(shí)現(xiàn)了油田生產(chǎn)水平的有效提升，對(duì)油田行業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油田的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)油田井場(chǎng)各生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、傳輸和處理，在此基礎(chǔ)上，油田生產(chǎn)管理部門(mén)就能夠針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管和控制。而要想充分發(fā)揮出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油田生產(chǎn)過(guò)程中的性能，首先需要保障各項(xiàng)過(guò)程數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。鑒于此，就必須要針對(duì)數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全問(wèn)題進(jìn)行全面分析，同時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況采取有效保障措施對(duì)各項(xiàng)安全問(wèn)題進(jìn)行嚴(yán)格控制，這樣才能促進(jìn)數(shù)字油田的快速發(fā)展。

1 數(shù)字油田

1.1 數(shù)字油田概念

數(shù)字油田的概念來(lái)自數(shù)字地球。數(shù)字地球主要指的是按照地理坐標(biāo)和空間位置的不同將全球范圍內(nèi)所有的數(shù)字信息進(jìn)行有組織的存儲(chǔ)，以此為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建起一個(gè)統(tǒng)一的信息模型，這樣就能夠?yàn)槭澜绺鲊?guó)提供更加直觀、更加方便、更加快捷、更加有效的交互檢索方式和使用方式，數(shù)字地球的概念出現(xiàn)主要是為全人類(lèi)提供服務(wù)。

20 世紀(jì)90 年代初期提出了數(shù)字油田的概念，其首次是以智能油田出現(xiàn)。在當(dāng)時(shí)數(shù)字油田仍然屬于一個(gè)比較模糊的概念，而且各種構(gòu)想仍然處在萌芽階段，但這種思想已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。人們對(duì)數(shù)字油田作出了如下定義：來(lái)自不同地域的公司、操作者以及伙伴共同使用經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的數(shù)據(jù)、強(qiáng)大的分析工具、知識(shí)管理工具和實(shí)施系統(tǒng)，以及更有效的業(yè)務(wù)流程來(lái)獲取更大的利益。大慶油田責(zé)任有限公司在1999 年首次在國(guó)內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)概念，而且這樣是不是油田作為企業(yè)的發(fā)展的一個(gè)重大戰(zhàn)略目標(biāo)。

1.2 數(shù)字油田發(fā)展

數(shù)字油田的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)主要階段。20 世紀(jì)90 年代之前數(shù)字油田處在準(zhǔn)備階段，在當(dāng)時(shí)各大油田企業(yè)正在逐漸向著電氣化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化以及集成化的方向發(fā)展，這一發(fā)展方向也初步奠定了數(shù)字油田的發(fā)展基礎(chǔ)。油田發(fā)展進(jìn)入21 世紀(jì)初之后，數(shù)字油田發(fā)展開(kāi)始萌芽，此時(shí)，在油田經(jīng)營(yíng)過(guò)程中已經(jīng)出現(xiàn)了成熟的可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)、智能油井、勘探開(kāi)發(fā)一體化等技術(shù)。在油田的各項(xiàng)業(yè)務(wù)鏈上也出現(xiàn)了電子商務(wù)和ERP 等。21 世紀(jì)初至2005 年是數(shù)字油田發(fā)展的起步階段，各大以數(shù)字油田為主題開(kāi)展的專(zhuān)項(xiàng)會(huì)議中，來(lái)自世界各國(guó)的專(zhuān)家積極倡導(dǎo)充分利用IT 技術(shù)來(lái)推動(dòng)油田勘探開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)集成化、效率化的發(fā)展。且將遠(yuǎn)程測(cè)量傳感器數(shù)、數(shù)字依然化表示的可視化技術(shù)、智能轉(zhuǎn)環(huán)境技術(shù)、自動(dòng)化和信息集成技術(shù)等作為今后數(shù)字化油田發(fā)展的5 項(xiàng)新技術(shù)。自2005 年開(kāi)始數(shù)字油田開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展階段，美國(guó)達(dá)拉斯在2005 年10 月舉辦了石油工程協(xié)會(huì)年會(huì)，并在年會(huì)上展示了Sell、Chevron 實(shí)際應(yīng)用數(shù)字油田的真實(shí)案例。智慧油田開(kāi)始在世界各國(guó)全面推動(dòng)。

2 數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)安全問(wèn)題

由于物聯(lián)網(wǎng)在物理硬件方面具備較強(qiáng)復(fù)雜性，而且其組網(wǎng)方式呈現(xiàn)多樣化的特征，這也使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本身就會(huì)面臨多元化的安全挑戰(zhàn)。在當(dāng)前的信息技術(shù)領(lǐng)域中，移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟，而且也已經(jīng)形成了相對(duì)比較完整的安全機(jī)制，這也給通信運(yùn)營(yíng)商以及用戶(hù)各項(xiàng)服務(wù)獲取提供了相對(duì)比較安全的環(huán)境。而物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型技術(shù)，其安全問(wèn)題研究仍然處在起步階段，且物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本身存在多元異構(gòu)性，因此針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)安全性進(jìn)行研究具有較大難度。

井場(chǎng)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層以及管理服務(wù)層是組成數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。從數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以看出，通過(guò)傳感器在井場(chǎng)各項(xiàng)生產(chǎn)設(shè)備上采集的數(shù)據(jù)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線網(wǎng)橋的方式最終匯聚到油田生產(chǎn)調(diào)度中心來(lái)統(tǒng)一實(shí)施數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析，整個(gè)信息采集處理的全過(guò)程能夠充分體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)安全性的基本特征和要求，但也同時(shí)預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要面臨基本安全問(wèn)題。

2.1 感知層安全問(wèn)題

目前數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息感知采集過(guò)程中本身就存在一定的信息安全問(wèn)題。主要是因?yàn)樵跀?shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中所使用的傳感器以及RFID 終端設(shè)備等數(shù)據(jù)采集設(shè)備非常容易在運(yùn)行過(guò)程中受到外界的干擾從而出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

RFID 今日過(guò)程中涉及了以下一些安全問(wèn)題：

1）只要擁有合法的RFID 閱讀器，就可以讀取被感知物體上放置的識(shí)別標(biāo)簽。而如果未經(jīng)油田授權(quán)用戶(hù)采取讀取操作的情況下，識(shí)別標(biāo)簽中所蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)信息不能保證安全性和完整性。

2）目前所使用的RFID 閱讀器大多數(shù)都為手持可移動(dòng)式，這種可移動(dòng)式的讀取操作方式在一些情況下可能會(huì)存在假冒或者是非授權(quán)服務(wù)訪問(wèn)等一些問(wèn)題。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層安全問(wèn)題

數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中信息安全問(wèn)題同樣存在于網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)本身是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)建設(shè)的，因此互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自身存在的安全性問(wèn)題同樣會(huì)復(fù)制到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。例如我國(guó)大慶油田在建設(shè)油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的過(guò)程中，主要采取的是建立在IP 傳輸機(jī)制上的數(shù)據(jù)型無(wú)線網(wǎng)橋，導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)傳輸層中的所有數(shù)據(jù)都是以IP包的形式進(jìn)行傳輸。針對(duì)這些問(wèn)題，雖然大學(xué)里面已經(jīng)從企業(yè)層面建立起專(zhuān)網(wǎng)來(lái)進(jìn)行行為審計(jì)、流量控制、輿情分析、防火墻等測(cè)試進(jìn)一步加強(qiáng)安全防護(hù)，但仍然不可避免出現(xiàn)一些比較常見(jiàn)的安全威脅。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中存在的傳統(tǒng)安全問(wèn)題也同樣會(huì)威脅物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。而且在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中擁有大量的控制器和傳感器節(jié)點(diǎn)，因此非常有可能在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)海量數(shù)據(jù)傳輸造成網(wǎng)絡(luò)堵塞問(wèn)題，由此會(huì)產(chǎn)生拒絕服務(wù)攻擊的現(xiàn)象。

2.3 應(yīng)用層安全問(wèn)題

生產(chǎn)調(diào)度中心海量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)重組以及數(shù)據(jù)到各級(jí)管理者反饋所提供的各種服務(wù)是應(yīng)用層的主要服務(wù)型。在這一過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)經(jīng)過(guò)多種無(wú)線傳感器、無(wú)線橋接最終才能進(jìn)入企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)。從用戶(hù)訪問(wèn)的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過(guò)不同級(jí)別的限制才能進(jìn)行訪問(wèn)和處理。這一過(guò)程就會(huì)存在越權(quán)訪問(wèn)、身份偽裝、黑客入侵、用戶(hù)信息泄露等諸多安全問(wèn)題。

3 數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全機(jī)制分析

3.1 感知層

面向感知層安全保障機(jī)制建立的重點(diǎn)主要是RFID 系統(tǒng)。

1）面向人車(chē)物標(biāo)簽的物理保護(hù)法。如果標(biāo)簽本身屬于沒(méi)有ID的無(wú)源標(biāo)簽，在出現(xiàn)非法訪問(wèn)讀取或者受損無(wú)法恢復(fù)的情況下，合法閱讀器在讀取該標(biāo)簽的過(guò)程中可以發(fā)出Kill 命令，從而使該標(biāo)簽永久失效。同時(shí)還可以面向該部分標(biāo)簽采取物理信號(hào)隔離措施，例如使用金屬箔片標(biāo)簽進(jìn)行包裹，這樣就能夠有效隔絕外部非法頻率無(wú)線信號(hào)穿透進(jìn)而讀取信息，但是這種物理保護(hù)方法在隔絕非法信號(hào)的同時(shí)也會(huì)阻斷合法閱讀機(jī)的訪問(wèn)。

2）密碼技術(shù)。可以面向標(biāo)簽信息內(nèi)容采取加密處理，合法閱讀器通過(guò)使用公鑰解密的方法就可以讀取標(biāo)簽中的信息內(nèi)容。同時(shí)還可以利用加密的方法有效避免公鑰泄露或者是偽裝。

3）針對(duì)在情場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)布置的控制器、傳感器和變送器等，由于其非常容易受到外界磁場(chǎng)環(huán)境干擾，因此應(yīng)該針對(duì)具體設(shè)備性能來(lái)設(shè)置相應(yīng)的等級(jí)指標(biāo)，這樣就能夠讓各種設(shè)備在室外經(jīng)常運(yùn)行過(guò)程中提供相應(yīng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)部的各種運(yùn)行設(shè)備需要采取專(zhuān)人授權(quán)管理模式，同時(shí)要制定出更加嚴(yán)格的管理制度，這樣才能充分保障不同設(shè)備只有在經(jīng)過(guò)授權(quán)和批準(zhǔn)后才能進(jìn)行技術(shù)訪問(wèn)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層安全保障機(jī)制

1）消息認(rèn)證：接收信息后需要及時(shí)進(jìn)行認(rèn)證，以此來(lái)對(duì)信息的完整性以及信息來(lái)源節(jié)點(diǎn)的合法性進(jìn)行確認(rèn)。通過(guò)這種方式，就能利用合法節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)非法發(fā)送信息，進(jìn)而避免其在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳播。

2）數(shù)據(jù)授權(quán)加密：數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸只能面向授權(quán)用戶(hù)開(kāi)放，或者可以針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程采取更加合理的密碼機(jī)制進(jìn)行加密處理，以此來(lái)進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3）保證網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性：要賦予網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身一定的壟斷性和自適應(yīng)性，這樣，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某些節(jié)點(diǎn)遭到攻擊者控制后，還能確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)其他部分能保持正常運(yùn)行。

3.3 應(yīng)用層安全保障機(jī)制

1）針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的不同級(jí)別訪問(wèn)者給予相應(yīng)訪問(wèn)權(quán)限；

2）做好日常數(shù)據(jù)備份工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息異地備份；

3）針對(duì)各級(jí)用戶(hù)信息設(shè)置相應(yīng)保護(hù)機(jī)制，避免授權(quán)用戶(hù)個(gè)人信息遭到泄露；

4）進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軟件支持過(guò)程中所形成的專(zhuān)利以及著作權(quán)也要及時(shí)采取知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

總而言之，數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前數(shù)字油田建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，為了充分保證數(shù)字油田的健康發(fā)展，應(yīng)該針對(duì)數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層對(duì)應(yīng)安全問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)提出有針對(duì)性的安全保障機(jī)制，這樣才能保證數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有序、穩(wěn)定運(yùn)行。