基于數(shù)據(jù)融合的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王勇，陳劍飛，趙麗娜，王聰，王高洲

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 青島 266002）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和全球定位系統(tǒng)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，傳輸和交換物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)信息的準(zhǔn)確定位、自動(dòng)化識(shí)別以及安全監(jiān)管[1-2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量在快速增加，面對(duì)各式各樣的攻擊方式，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)被泄露的風(fēng)險(xiǎn)在逐漸提高，一旦被泄露，將會(huì)給用戶帶來(lái)巨大的損失?；谖锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的安全問(wèn)題，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)雖然提高了網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等級(jí)，削弱了外界的攻擊強(qiáng)度，但對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力卻急劇降低，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間減小、存儲(chǔ)效率下降，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的丟失，無(wú)法保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性，基于以上出現(xiàn)的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)融合的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，該文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和速率，提升對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理能力，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程，最后通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該文基于數(shù)據(jù)融合的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

該文系統(tǒng)的電源電路采用TI公司生產(chǎn)的TD8764電源芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，電源電路圖如圖1 所示。

圖1 電源電路圖

電源電路包括二極管、電源開(kāi)關(guān)，電源電路的額定電壓為12 V，主要為系統(tǒng)的整個(gè)硬件設(shè)施進(jìn)行供電，額定電流為4.8 A，電源電路中的電阻和電容器可對(duì)電路內(nèi)部的寄存器進(jìn)行補(bǔ)償，其輸出的直流電壓經(jīng)過(guò)4 腳傳送到電路內(nèi)部的誤差放大器，直流電壓可與寄存器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)2 腳傳送到誤差比較放大器中[3-4]。

脈沖信號(hào)的脈沖寬度隨著基準(zhǔn)電壓的增大而減小，寄存器中的反饋電壓如果增高，脈沖信號(hào)的寬度會(huì)變窄，電源開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間將變短，占空比將增大，從而使穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值升高，寄存器中的反饋電壓如果降低，脈沖寬度將變寬，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間將變長(zhǎng)，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值減小[5-6]。

1.2 采集器設(shè)計(jì)

采集器內(nèi)部集成了傳輸器、CPU、存儲(chǔ)器等器件，CPU 是采集器的核心器件，采用TDB65F893V7R5 高速微處理器，其是SIMENS 公司推出的最新微控制器，CPU 的工作頻率最高可達(dá)90 MHz，采用PQYG69進(jìn)行封裝，內(nèi)部集成了大容量的高速存儲(chǔ)器，容量可達(dá)到128 kB，除了高速存儲(chǔ)器外，還集成了48 kB 的SRAM，可存儲(chǔ)48 kB 的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)防護(hù)系統(tǒng)的編程[7-8]。采集器結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)由采集器采集完成后，將由采集器內(nèi)部的傳輸器傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)終端，在傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)芯片上的串行通信接口，串行通信接口與全雙工UART 接口共同構(gòu)成了采集器的通信接口，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)到采集器內(nèi)部集成的存儲(chǔ)器中，該款存儲(chǔ)器的總?cè)萘繛?6 MB，內(nèi)部含有10 392 頁(yè)的存儲(chǔ)單元，每頁(yè)可存儲(chǔ)1 056 B，該款存儲(chǔ)器可協(xié)助防護(hù)系統(tǒng)的總存儲(chǔ)器對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證防護(hù)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)丟失狀況，使防護(hù)系統(tǒng)可以更平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行[9-10]。

1.3 微處理器設(shè)計(jì)

該文系統(tǒng)的微處理器處理數(shù)據(jù)的速度不小于600 MHz，功耗最高為14 W，因此微處理器的芯片選用廣東某公司生產(chǎn)的低功耗芯片，該低功耗芯片具有8 位定點(diǎn)內(nèi)核，25 位移位器，支持異步存儲(chǔ)器，可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線漂移控制。采樣頻率為34 MHz，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)微處理器的部分外設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用16 位SPI 總線擴(kuò)展技術(shù)建立專(zhuān)用集成總線，片上外設(shè)主要包括物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)、時(shí)鐘控制器、功率放大器等[11-12]。微處理器的外圍電路可對(duì)片上外設(shè)以及微處理器進(jìn)行供電，為了減少外設(shè)間產(chǎn)生的噪聲，外圍電路電壓控制在1.3～4.8 V，電流最高不超過(guò)1.3 A，不低于1.8 A，并采用8 μF 的電容進(jìn)行濾波處理，通過(guò)對(duì)外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可對(duì)整個(gè)微處理器進(jìn)行供電，還可使時(shí)鐘控制器的頻率更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定[13]。

1.4 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

該文系統(tǒng)的存儲(chǔ)器選用廣東某公司生產(chǎn)的SD7462，將復(fù)位電路進(jìn)行反饋采樣，存儲(chǔ)器的線性動(dòng)態(tài)增益范圍為-25～30 dB，增益信號(hào)可在這一區(qū)間進(jìn)行波動(dòng)。在復(fù)位電路的SDI 接口，放置開(kāi)關(guān)電源低通濾波，可以提高復(fù)位電路中電壓的穩(wěn)定性，通過(guò)USB 接口的自動(dòng)緩沖功能，可使物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與主機(jī)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，在外圍電路上設(shè)置與UART 接口相連接的轉(zhuǎn)換器，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ啦蓸訑?shù)據(jù)設(shè)置成8 位，并采用8 V 雙極性數(shù)據(jù)輸入法輸入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用序列代碼實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，USB 接口可采用雙向通道來(lái)控制復(fù)位電路，與片內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，通過(guò)外圍電源與復(fù)位電源的共同供電，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)，輸出的樣本數(shù)據(jù)具有自適應(yīng)性能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)，采用了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以降低物聯(lián)網(wǎng)能耗，物聯(lián)網(wǎng)中布設(shè)了大量的節(jié)點(diǎn)來(lái)保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中可能會(huì)存在冗余信息，在上述情況下可采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行處理，去除物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中的冗余信息，除了能夠降低物聯(lián)網(wǎng)能耗外，數(shù)據(jù)融合技術(shù)還可提升物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由于單一節(jié)點(diǎn)采集的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，可能會(huì)將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)誤報(bào)和錯(cuò)報(bào)，這時(shí)可采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以此提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以提高物聯(lián)網(wǎng)的工作效率，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低傳輸?shù)膿砣?，減小傳輸時(shí)延[14-15]。

該文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)的軟件流程如圖3 所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)圖3 可知，此次物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，首先建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境的建設(shè)是保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)，采用存儲(chǔ)環(huán)境安全技術(shù)，保證系統(tǒng)的操作安全，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全。采用數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)方式對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，集中管理系統(tǒng)中比較重要的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)硬件環(huán)境的虛擬化，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息與數(shù)據(jù)的充分共享，優(yōu)化軟件設(shè)施，建立等級(jí)不同的數(shù)據(jù)中心，形成不同等級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化備份，編程監(jiān)控報(bào)警程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的集中管理和實(shí)時(shí)報(bào)警。

然后，采取敏感數(shù)據(jù)保護(hù)措施，進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交換。基于以上建設(shè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境，采取相應(yīng)的敏感數(shù)據(jù)保護(hù)措施，提升敏感數(shù)據(jù)的安全性，在終端安全、內(nèi)網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上，采用對(duì)稱(chēng)加密的方式對(duì)敏感的物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，對(duì)敏感物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的軟件環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)化備份，采用端到端加密和線路加密方式加密物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，提升物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的安全性和可靠性，采用網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議分析傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包，匹配跟蹤物聯(lián)網(wǎng)特征數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全交換。

最后，交換完物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)后，采用數(shù)據(jù)庫(kù)加密和數(shù)據(jù)脫敏技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后的加密。采用數(shù)據(jù)庫(kù)加密技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以密文的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，如果得不到密鑰，將無(wú)法獲取物聯(lián)網(wǎng)原始數(shù)據(jù)與加密數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性。再利用數(shù)據(jù)脫敏技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行變形處理，在不破壞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)，制定多種脫敏規(guī)則，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分層加密。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)融合的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)在配備Win10、Intel Core i7 3.50 GHz、16 GB 和2 TB 硬盤(pán)的MATLAB 仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)集為開(kāi)放分布類(lèi)開(kāi)發(fā)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)InfluxDB。通過(guò)與文獻(xiàn)[7]中基于PLC 的工業(yè)云平臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證該文系統(tǒng)的有效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，詳細(xì)分析了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的防護(hù)和加密保護(hù)過(guò)程，對(duì)比文獻(xiàn)[7]防護(hù)系統(tǒng)與該文系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的防護(hù)效率，對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 防護(hù)效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，該文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的性能較好，數(shù)據(jù)防護(hù)效率更高，隨著物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的不斷增加，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的防護(hù)效率接近100%，而文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)防護(hù)效率近似70%，該文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)防護(hù)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)，進(jìn)而證明了該文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)防護(hù)效率高，數(shù)據(jù)的安全性更好，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

除了對(duì)比文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)與該文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)防護(hù)效率之外，還對(duì)比了兩種系統(tǒng)的防護(hù)量，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)防護(hù)量越高，說(shuō)明數(shù)據(jù)防護(hù)的安全性更好，數(shù)據(jù)不易被泄露，兩種系統(tǒng)防護(hù)量對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 防護(hù)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5 可知，該文系統(tǒng)的防護(hù)空間遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)，該文系統(tǒng)可以防護(hù)更多的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，有效保證了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全，實(shí)現(xiàn)了海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的防護(hù)，提升了數(shù)據(jù)的安全性。

除此之外，為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的防護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，測(cè)試了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳的響應(yīng)時(shí)間和吞吐量，如圖6 所示。

圖6 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，該文系統(tǒng)可支持18個(gè)物聯(lián)網(wǎng)用戶在同一時(shí)間傳輸物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，響應(yīng)時(shí)間最高為300 ms，最高吞吐量達(dá)到3 MB/s，上傳失敗概率為0，沒(méi)有出現(xiàn)系統(tǒng)擁塞等異?，F(xiàn)象，由此證明了該文系統(tǒng)在同時(shí)傳輸多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，依然可以穩(wěn)定運(yùn)行，證明了該文系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

綜上所述，該文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)融合的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)效率和防護(hù)量均較高，可以防護(hù)海量的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，有效保證了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性和完整性，降低了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)丟失的概率，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)防護(hù)效率低、防護(hù)量小、部分物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)丟失、無(wú)法保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性等問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，降低了物聯(lián)網(wǎng)能耗，提升了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和物聯(lián)網(wǎng)的工作效率。該文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集和高效防護(hù)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)融合的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)于對(duì)比系統(tǒng)，提升了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全防護(hù)，同時(shí)通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)也證明了該文設(shè)計(jì)的防護(hù)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。