智慧能源前端數(shù)據(jù)安全傳輸模型

鞏志強(qiáng) 梁光瑞

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300452

引言

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代不僅促進(jìn)了科學(xué)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也促進(jìn)了能源傳輸?shù)倪M(jìn)步。目前，能源傳輸已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)緊密相連，尤其是在5G技術(shù)普及后[1]，能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)更加清晰，在能源互聯(lián)網(wǎng)的電力風(fēng)力系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸占據(jù)著舉足輕重的位置，因此，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩侵腔勰茉磾?shù)據(jù)安全傳輸?shù)幕A(chǔ)，但傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全傳輸模型不符合目前的大數(shù)據(jù)需求。為解決這一問題，本文對(duì)智慧前端數(shù)據(jù)安全模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 智慧能源前端數(shù)據(jù)安全傳輸模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 檢測智慧能源前端數(shù)據(jù)傳輸隱患

一旦智慧能源前端被惡意攻擊，輕則導(dǎo)致停電，重則引起整個(gè)智慧能源傳輸鏈的崩塌[2]，因此需要檢測智慧能源前端的數(shù)據(jù)傳輸隱患，經(jīng)過檢測可知，智慧能源數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾[患如下所示：

第一個(gè)是惡意操縱偽造設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，不法分子向調(diào)度控制中心發(fā)送惡意修改的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致調(diào)度控制中心做出錯(cuò)誤判斷和操作，最終觸發(fā)智慧能源前端異常。第二個(gè)是病毒攻擊，將惡意病毒注入智慧能源前端，使整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)癱瘓。第三個(gè)是身份偽造，攻擊者成為控制中心或智慧能源前端的合法成員，偽造身份向智能終端發(fā)送惡意消息[3]，引導(dǎo)或攔截來自智慧能源前端的通信信息。第四，危險(xiǎn)源在進(jìn)行攻擊探測前，不斷攻擊中心數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫無法正常存儲(chǔ)、接收數(shù)據(jù)信息，甚至竊取關(guān)鍵商業(yè)機(jī)密和個(gè)人信息。

由于智慧能源前端儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的數(shù)量多，數(shù)據(jù)分類復(fù)雜，導(dǎo)致其防護(hù)層較弱，非常容易受到攻擊，一旦其發(fā)生了泄露，不僅會(huì)導(dǎo)致整個(gè)能源前端崩潰，甚至?xí)韨€(gè)人信息或國家機(jī)密泄露的風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)其設(shè)置如下安全要求：

第一，保證智慧能源數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)完整，不能隨意添加或刪除信息內(nèi)容。第二，需要保證數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)的不可泄露性，數(shù)據(jù)的機(jī)密性可以有效提高數(shù)據(jù)抵御攻擊的能力。第三，數(shù)據(jù)可用性可以保證系統(tǒng)合法地將數(shù)據(jù)提供給合法用戶，智慧能源前端的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)和控制命令要求一樣嚴(yán)格，業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)可用性必須具有更嚴(yán)格的要求。第四，數(shù)據(jù)的可控性。控制中心能夠有效控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀態(tài)，能夠進(jìn)行授權(quán)和責(zé)任分工，對(duì)傳輸源進(jìn)行跟蹤和監(jiān)督。第五，不可否認(rèn)性。指發(fā)送方和接收方在數(shù)據(jù)傳輸過程中均不能拒絕發(fā)送的數(shù)據(jù)，不可否認(rèn)性可以有效防止發(fā)送方和接收方之間的糾紛[4]。因此，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，雙方可以驗(yàn)證彼此的身份是否正確[5]。

1.2 設(shè)計(jì)智慧能源前端數(shù)據(jù)安全傳輸模型框架

本文設(shè)計(jì)的安全模型以組件的形式對(duì)安全系統(tǒng)進(jìn)行定義，基于此，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)安全傳輸模型框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)安全傳輸模型框架

由圖1可知，這些組件按設(shè)計(jì)分為兩層，第一層是增加安全組件層，第二層是XML解析層，第二層對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸框架來說非常重要，因?yàn)樵摻馕鰧影ǖ慕M件數(shù)量廣泛，包括請(qǐng)求/響應(yīng)管理組件和中間交互組件。作為模型的組成部分，二級(jí)組件包括XML轉(zhuǎn)換組件、加密/解密組件等，這些組件提供了符合W3C 的XML 安全規(guī)范的方法。

1.3 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

XML 文檔是一種分層結(jié)構(gòu)文檔，它表示數(shù)據(jù)的半結(jié)構(gòu)化信息。雖然其所代表的信息是完全結(jié)構(gòu)化的，但這并不意味著其不能代表不同層次的數(shù)據(jù)，但想要使其代表更多數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)的非層次化和層次化進(jìn)行區(qū)別。為此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)安全傳輸時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。即需要使用標(biāo)準(zhǔn)化傳輸算法將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)絏ML 文檔或從XML 文檔進(jìn)行初步轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成可以被數(shù)據(jù)庫識(shí)別的格式。本文設(shè)計(jì)方法可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行多次加工，從而對(duì)一種普通的文檔進(jìn)行交換轉(zhuǎn)化，使其變成各個(gè)數(shù)據(jù)庫都能識(shí)別的文檔。除此之外，本文選取的對(duì)象映射法可以將XML文檔轉(zhuǎn)換為更高級(jí)別的數(shù)據(jù)庫，并通過特定的API 來實(shí)現(xiàn)，以獲取有關(guān)XML 文檔每個(gè)部分的信息。

1.4 構(gòu)建數(shù)據(jù)安全傳輸模型

數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩允俏磥碇腔勰茉辞岸吮仨毧朔恼系K。安全數(shù)據(jù)傳輸模型的設(shè)計(jì)必須滿足以下幾個(gè)基本要求：

第一，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性。第二，要滿足智慧能源前端現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范。第三，保證數(shù)據(jù)可以得到有效保護(hù)。第四，實(shí)現(xiàn)智慧能源終端的雙向身份認(rèn)證。

現(xiàn)有的智慧能源前端身份認(rèn)證系統(tǒng)可以讓智慧能源終端自動(dòng)在線注冊，避免部分非法用戶在系統(tǒng)重啟時(shí)自動(dòng)接入系統(tǒng)。除此之外，當(dāng)用戶終端和智慧能源變電站啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行合法身份認(rèn)證是非常必要的。因此，設(shè)計(jì)智慧能源前端數(shù)據(jù)安全傳輸模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)安全傳輸模型

由圖2可知，該模型的主要組成部分，即智慧能源控制單 元、能源終端ONU、信息交互終端設(shè)備等，此時(shí)的傳輸流程圖如下圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)安全傳輸流程

由圖3可知，整個(gè)模型的數(shù)據(jù)安全傳輸分為幾個(gè)階段，第一步是離線注冊和密鑰分發(fā)，所有動(dòng)力單元在首次連接系統(tǒng)時(shí)必須進(jìn)行離線注冊。注冊完成后，密鑰管理中心會(huì)創(chuàng)建一個(gè)查找表，輸入到注冊的下一界面。第二步，OLT根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果做出相應(yīng)的決策。第三步，由密鑰管理中心KMC驗(yàn)證身份，第四步，驗(yàn)證真實(shí)性，從而有效提升系統(tǒng)安全。第五步，數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備完成上述步驟4后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)模型的性能，將其與未進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)據(jù)安全傳輸模型進(jìn)行性能差異對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取條件一致的交換機(jī)硬件，將其與用戶連接，部分硬件的參數(shù)配置如下：CPU：lntel Core i5-6200U；內(nèi)存：8GB DDR4 2133MHz；硬盤：256GB固態(tài)硬盤；網(wǎng)卡：瑞昱RTL810x/8139 Family Fast Ethernet NIC。

由上可知，實(shí)驗(yàn)需要在CPU為lntel Core i5-6200U的環(huán)境中，接入上文提到的物理機(jī)，將物理機(jī)的內(nèi)存條擴(kuò)充至1333REG ECC LV，插入SATA3GB硬盤，在瑞昱 RTL810x/8139 Family Fast Ethernet NIC環(huán)境下連接各個(gè)交換機(jī)，以將用戶使用終端與智慧模型檢測前端進(jìn)行連接，搭建linux CentOs7.2系統(tǒng)進(jìn)行初次檢驗(yàn)，在linux CentOs7.2系統(tǒng)中加入master元件，經(jīng)過各個(gè)物理機(jī)重新部署，得到此時(shí)的虛擬鏡像，除此之外，將客戶終端與共享儲(chǔ)存服務(wù)器相連，可以檢測此時(shí)的虛擬數(shù)值，根據(jù)該虛擬數(shù)值可以計(jì)算出linux CentOs7.2檢測系統(tǒng)的參數(shù)，便于進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中的各項(xiàng)參數(shù)搭建測試平臺(tái)，使用DES算法，分別檢測優(yōu)化前后的模型傳輸流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，隨著時(shí)間增加，優(yōu)化后模型的傳輸流量也越來越多。由此可以證明，優(yōu)化后模型的傳輸速率更快，安全性能更高。

3 結(jié)束語

目前，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的安全傳輸對(duì)保證能源傳輸?shù)男剩瑢?shí)現(xiàn)能源保護(hù)而言非常重要。因此，本文優(yōu)化了傳統(tǒng)的智慧前端數(shù)據(jù)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)模型的各方面性能較好，具有一定應(yīng)用價(jià)值。