數(shù)據(jù)存儲技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺中的應(yīng)用

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 曾初陽 陳剛 龐曉健 吳金宇 胡海生

隨著電力信息化的不斷推進(jìn)，電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)需要對越來越多的電力信息數(shù)據(jù)進(jìn)行審計(jì)，而在審計(jì)過程中的數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要。電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺能夠充分克服傳統(tǒng)的被動(dòng)防控措施的不足，通過對數(shù)據(jù)的并行分析實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)攻擊行為的高效監(jiān)測。本文針對當(dāng)前電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺的數(shù)據(jù)存儲需求，深入分析了當(dāng)前電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)機(jī)制下的數(shù)據(jù)存儲路徑，引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了基于分布式數(shù)據(jù)庫的安全審計(jì)數(shù)據(jù)庫模型，并設(shè)計(jì)了模型的網(wǎng)絡(luò)模塊、通信協(xié)議、SQL解析和存儲引擎，通過動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺數(shù)據(jù)庫的分布式管理。通過性能測試可知，本文將數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺，可以有效保障電力信息數(shù)據(jù)的高效精準(zhǔn)安全審計(jì)。

1 電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺的數(shù)據(jù)存儲需求

電力監(jiān)控系統(tǒng)在電網(wǎng)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)中均有分布，故而其安全審計(jì)平臺所響應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲需求對于系統(tǒng)的安全至關(guān)重要，因此可以被劃分為三個(gè)方面的具體需求。

1.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)

電力生產(chǎn)過程中會(huì)從電力設(shè)備、員工等處提取數(shù)據(jù)信息，囊括有量測數(shù)據(jù)、控制信號、費(fèi)控信息、調(diào)度指令、自動(dòng)化管理信息等多個(gè)方面。此類信息要求電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺在審計(jì)數(shù)據(jù)安全時(shí)需要保證數(shù)據(jù)處理的精確性和數(shù)據(jù)更新的即時(shí)效果，而當(dāng)前的監(jiān)控系統(tǒng)盡管具有專業(yè)的數(shù)據(jù)調(diào)控中心進(jìn)行，但是由于多采用單一化儲存方式，仍然具有較高的泄露和丟失風(fēng)險(xiǎn)，從而削弱了數(shù)據(jù)的安全性。因此電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)對于安全審計(jì)平臺的數(shù)據(jù)存儲需求主要是需要做到對數(shù)據(jù)的并行處理和存儲。

1.2 行政環(huán)節(jié)

電力行政環(huán)節(jié)主要囊括電網(wǎng)組織生產(chǎn)過程中財(cái)務(wù)、人事和物資等數(shù)據(jù)信息，為電力生產(chǎn)間接提供數(shù)據(jù)管理的支撐材料，通常其所使用的操作系統(tǒng)具有各不相同的操作權(quán)限，由此造成的異構(gòu)性使得其面臨惡意篡改和系統(tǒng)Bug等諸多不同信息安全風(fēng)險(xiǎn)，故而其所對應(yīng)的安全審計(jì)平臺需要滿足分布式管理的需要。

1.3 營銷環(huán)節(jié)

電力營銷環(huán)節(jié)主要囊括電力用戶的用電行為信息、計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)、市場信息、招投標(biāo)數(shù)據(jù)等，由于營銷工作開展過程中其數(shù)據(jù)需要接入外網(wǎng)，因此面臨來自外網(wǎng)的信息入侵風(fēng)險(xiǎn)，故而其所對應(yīng)的安全審計(jì)平臺需要滿足數(shù)據(jù)存儲的信息保密需求。

綜合以上需求分析，針對安全審計(jì)平臺的數(shù)據(jù)存儲需求，本文引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)管理，降低平臺的信息安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于分布式數(shù)據(jù)庫的安全審計(jì)數(shù)據(jù)庫模型

2.1 模型總體架構(gòu)

本文基于分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫分布式管理，在JSQL安設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)主要包含客戶端單元、分布式管理單元、分布式數(shù)據(jù)庫單元與終端PC機(jī)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)Fig.1 Network topology

（1）客戶端單元。客戶端單元的主要作用是銜接分布式數(shù)據(jù)庫，通過傳達(dá)SQL命令至服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。

（2）分布式管理單元。分布式管理單元主要是用于管理對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)。終端PC機(jī)通過連接該單元可以對拓?fù)渲懈鞴?jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施管理從而監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。而當(dāng)客戶端單元發(fā)送請求指令后，管理單元能夠基于動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)自行回歸集群單元，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

（3）分布式數(shù)據(jù)庫單元。該單元主要作用是存儲電力信息數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)客戶端對于數(shù)據(jù)的操作指令，在拓?fù)溥B接成功后，僅有授權(quán)用戶可通過驗(yàn)證訪問。各數(shù)據(jù)庫相互獨(dú)立，并行運(yùn)行管理數(shù)據(jù)。

（4）終端PC機(jī)。后臺管理者利用終端PC機(jī)對各單元進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)核查審計(jì)數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)測預(yù)警功能確保平臺安全。

2.2 模型具體設(shè)計(jì)

在電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺中引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)時(shí)需要明晰數(shù)據(jù)庫的功能，進(jìn)而針對性設(shè)計(jì)模塊，本文的數(shù)據(jù)庫功能模塊主要涵蓋網(wǎng)絡(luò)模塊、通信協(xié)議模塊、SQL解析模塊以及存儲引擎模塊，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫功能模塊Fig.2 Database function modules

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)模塊

數(shù)據(jù)庫在實(shí)現(xiàn)自身功能時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)模塊來響應(yīng)客戶需求，因此本文采用Netty設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)模塊，其主要含有3種線程，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模塊工作流程Fig.3 Network module workflow

（1）主線程池的主要功能是獲取用戶端的連網(wǎng)要求，將該要求轉(zhuǎn)給從線程池受理，然后繼續(xù)接收連網(wǎng)要求，提升服務(wù)器運(yùn)行效率。

（2）從線程池完成連網(wǎng)后開始進(jìn)行讀取，將其余的事務(wù)邏輯轉(zhuǎn)給工作線程處理，避免線程崩潰。

（3）工作線程主要用于處理耗時(shí)較長的操作。

2.2.2 通信協(xié)議模塊

各服務(wù)器與客戶端在進(jìn)行通信時(shí)需要相應(yīng)的協(xié)議，因此本文主要采用應(yīng)用較廣的MySQL的通信協(xié)議，主要涵蓋握手認(rèn)證與指令執(zhí)行兩個(gè)步驟。

（1）握手認(rèn)證。

客戶端A與服務(wù)器B連網(wǎng)后開始執(zhí)行握手，流程為：

1）B傳送初始化報(bào)文至A。

2）A向B回復(fù)登錄驗(yàn)證的報(bào)文。

3）B向A傳送驗(yàn)證結(jié)果。

（2）命令執(zhí)行。

服務(wù)器B對客戶端A驗(yàn)證成功后開始執(zhí)行命令，其流程為：

1）A傳送命令報(bào)文給B。

2）B傳送執(zhí)行結(jié)果給A。

2.2.3 SQL解析模塊

該模塊主要是對客戶端傳達(dá)的語句進(jìn)行解析，了解后者的設(shè)實(shí)際意圖。衡量應(yīng)用成本與實(shí)際性能后，選擇當(dāng)前較為完善的Druid框架設(shè)計(jì)SQL引擎。SQL解析層對協(xié)議層發(fā)送的語句分析詞法與語法，獲取相應(yīng)的語法樹并以訪問者身份遍歷，從而獲取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在封裝后得到具體類型，對具體類型進(jìn)行分析后交由存儲引擎層完成深化處理。整體流程如圖4所示。

圖4 SQL解析流程Fig.4 SQL parsing process

2.2.4 存儲引擎模塊

存儲引擎設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)存儲組織結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，因此本文利用多元NoSQL數(shù)據(jù)庫引擎實(shí)現(xiàn)關(guān)系封裝，并在底層利用OrientDB等存儲引擎實(shí)現(xiàn)功能。

2.3 動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)

在分布式數(shù)據(jù)庫中，為了能夠平衡系統(tǒng)資源分配，需要采用動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡，其主要流程如下：

（1）分布式數(shù)據(jù)庫集群選取單個(gè)單元用于承擔(dān)管理代理的作用，從而實(shí)現(xiàn)正確后端數(shù)據(jù)庫對客戶端需求的響應(yīng)。

（2）集群中各單元自行通過核定單元CPU數(shù)量和服務(wù)器總內(nèi)存獲取自身權(quán)重并傳輸至管理單元儲存。

（3）分布式數(shù)據(jù)庫單元逐秒核算當(dāng)前負(fù)荷并傳達(dá)至管理單元，通過檢驗(yàn)CPU使用率和服務(wù)器總內(nèi)存余額更新負(fù)荷。

（4）管理單元重新排布服務(wù)器單元為單個(gè)數(shù)組，并將末尾服務(wù)器的下一個(gè)服務(wù)器設(shè)置為首端并存儲在數(shù)組中，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡的初始化。

（5）初始化完成后，集群服務(wù)器定期向管理單元輸送負(fù)荷數(shù)據(jù)，核定無誤后基于選舉算法為客戶端選定合適單元，并在連網(wǎng)后選定合適的服務(wù)器地址。

動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)可以避免管理單元失效時(shí)產(chǎn)生的單點(diǎn)故障，且由于采用選舉算法次第對單元進(jìn)行篩選，不會(huì)出現(xiàn)單個(gè)服務(wù)器全權(quán)處理客戶端的要求，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)均衡。

3 性能測試

性能測試可以有效檢驗(yàn)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺中的應(yīng)用效果。分別測試平臺中審計(jì)數(shù)據(jù)的并行處理效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results

由表1可以看出，隨著SQL運(yùn)行次數(shù)的提升，平臺的運(yùn)算時(shí)間逐步層架，當(dāng)運(yùn)行次數(shù)超過5000時(shí)，由于本文采用的MySQL作為通信協(xié)議，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的緩存和優(yōu)化，因此使得運(yùn)行效率大幅提升，并且動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)的引入，使得計(jì)算量顯著下降，能夠確保平臺面對海量數(shù)據(jù)仍然可以進(jìn)行高效處理。所有數(shù)據(jù)平臺均處理完成，表明本文提出的方法具有較好的實(shí)際應(yīng)用能力。

4 結(jié)論與展望

針對電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺的實(shí)際應(yīng)用需求，本文引入了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了基于分布式數(shù)據(jù)庫的安全審計(jì)數(shù)據(jù)庫模型，并設(shè)計(jì)了模型的網(wǎng)絡(luò)模塊、通信協(xié)議、SQL解析和存儲引擎，通過動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺數(shù)據(jù)庫的分布式管理。通過性能測試可知，本文將數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于電力監(jiān)控系統(tǒng)安全審計(jì)平臺可以有效保障數(shù)據(jù)安全與審計(jì)，具有較好的安全性和實(shí)用性。在未來將繼續(xù)研究平臺的數(shù)據(jù)復(fù)原功能與遷移功能，防止數(shù)據(jù)遺失，確保平臺的更新與升級能夠順利實(shí)施。