可信技術支持下的水電集控中心數據安全交互

宋爾進，左天才，曾體健，張玉吉，張孫蓉

（貴州烏江水電開發有限責任公司，貴州貴陽 550002）

隨著水力發電站建設規模增加和數字化技術的普及[1]，數字化水電集控中心應運而生。數字化水電集控中心依附網絡進行數據交互[2]，若是交互數據出現竊取、篡改等現象，輕則影響用戶數據安全，重則威脅水電集控中心運行。因此，如何保障數據交互安全是數字化水電集控中心發展的關鍵。

文獻[3]和文獻[4]主要對交互數據進行加密處理，提升數據交互的整體安全，防止竊取、篡改等。雖然提升了交互數據安全性，但影響響應時間，故提出可信技術支持下的水電集控中心數據安全交互設計研究。

1 水電集控中心數據交互設計

1.1 模型構建

設定水電集控中心數據交互節點A 與B，數據交互時需經過多個中心網絡節點，將其記為C1,C2,…,CN，N表示網絡節點的總數量（除去數據提供節點與數據需求節點）。基礎水電集控中心數據交互模型如圖1 所示。

圖1 基礎水電集控中心數據交互模型

根據水電集控中心受到攻擊的歷史記錄，計算平均攻擊概率，表達式為：

式中，Pattack表示數據交互受到的平均攻擊概率；Pall表示攻擊概率的總數值；n表示受到攻擊節點的總數量。

設交互數據為Xi={X1,X2,…,Xm}，數據長度差異記為li={l1,l2,…,lm} 。交互數據需要的最小信道容量表示為：

式中，Gmin表示最小信道容量；m表示交互數據總數量；lmax與lmin分別表示交互數據長度的最大值與最小值；αο表示信道容量計算輔助參量，取值為[1,10]。

依據信道容量適當選擇數據交互路徑與節點[5]，具體選取規則如式（3）所示：

式中，Gi為第i條信道容量數值。

水電集控中心數據交互模型構建完成，數據交互受到平均攻擊概率的計算及路徑與節點選擇規則的制定，為交互數據機密性保護的實現提供支撐[6]。

1.2 基于可信技術的交互數據機密性保護

應用可信技術密碼模塊，保護交互數據機密性，提升其安全性[7]。密碼模塊是可信技術的核心結構[8]，主要承擔生成存儲交互數據密鑰，驗證可信狀態的任務，結構如圖2 所示。

圖2 可信密碼模塊結構

如圖2 所示，I/O 組件是可信密碼模塊的數據總線。SM 引擎能加快可信密碼的生成存儲速度。密鑰是可信密碼的別名。程序代碼是可信密碼生成、存儲與驗證的編程信息。存儲器與寄存器是可信平臺基礎部件[9]。密鑰生成器及隨機數生成器是可信密碼與隨機數產生的硬件部件。執行引擎是交互數據機密性保護、程序執行的控制器件[10]。

常規情況下，交互數據不具備同等機密性[11]。需計算交互數據機密性，表達式為：

式中，ζi表示第i個交互數據的機密性，取值為[0,1]。ζi數值越大，交互數據機密性程度越高；反之則越低；β′表示交互數據機密性判定因子[12]。

依據式（4）計算結果，結合可信密碼[13]，表達式為：

式中，ξi表示交互數據的可信密碼；Δχ表示尺度因子，Δχ數值越大，可信密碼生成效率越低；反之則越高。

以式（5）為基礎，對交互數據進行機密性保護，公式為：

式中，Yi表示機密性保護處理后的交互數據；τ表示機密性保護添加常數項，通常取值為2.4；?表示所屬符號函數；?3表示可信密碼保護程度比例系數。

交互數據的機密性保護，提升了交互數據的自身安全性，但是無法避免受到攻擊，故還需對數據交互節點行為做可信度量。

1.3 數據交互節點行為可信度量

根據機密性保護后的交互數據，判定數據交互節點行為，度量節點行為的可信性。

數據交互節點行為[14]主要包含四種，分別為傳輸效率、應答效率、請求效率與轉發效率，表達式為：

式中，Va、Vb、Vc與Vd分別表示數據交互節點行為的傳輸效率、應答效率、請求效率及轉發效率；Vsuc表示節點成功接收交互數據總量；Vall表示節點發送交互數據總量；Vsuccall1與Vsuccall2表示節點應答請求與節點請求被應答總次數；Vreq1與Vreq2表示節點接收與發出請求總次數；Vsuctrans表示節點轉發交互數據總數量；Vtrans表示節點接收交互數據被轉發數量。

數據交互節點行為可信性受到行為主體、行為客體、行為環境等因素影響，客觀度量數據交互節點行為可信性，計算公式為：

式中，η表示數據交互節點行為可信性；M1、M2與M3分別表示行為主體、行為客體與行為環境可信度量數值；ω1、ω2與ω3表示M1、M2與M3的權重系數；M(pi) 表示節點行為客體i對應的可信性；Ψο表示可信度量因子；λ1、λ2、λ3與λ4表示傳輸效率、應答效率、請求效率與轉發效率對應系數。

1.4 水電集控中心數據安全交互實現

基于PCIE 協議設計數據安全交互架構，實現水電集控中心數據的安全交互，為水電集控中心的穩定運行提供保證[15-16]。

數據安全交互架構如圖3 所示。

圖3 數據安全交互架構

以式（8）計算結果為基礎，制定可信性閾值?。當η＞?時，認定該節點為數據交互節點；反之，不參與數據交互過程。結合圖3 所示架構，依據雙向AXI結構實現數據安全交互。

2 實驗與結果分析

選取文獻[3]基于區塊鏈的充電交易數據安全存儲平臺作為對比，設計對比實驗，驗證提出方法的應用性能。

2.1 實驗工況設置

選取某數字化水電集控中心為實驗對象。隨機從中抽取數據，分配為10 種實驗工況（維護、調試、遠程管理、故障、調度、共享、上傳下載、冗余容災和可靠安全），具體如表1 所示。

表1 實驗工況表

如表1 所示，10 種實驗工況中水電數據、數據交互用戶量均不一致，對應數據交互節點行為、可信性與信道容量均不相同。

2.2 實驗參數確定

在實驗前，需確定可信度量因子最佳取值。可信度量因子與數據交互節點行為可信性度量精確度之間的關系曲線如圖4 所示。

圖4 Ψο 與可信性度量精確度曲線

如圖4 數據所示，當Ψο取11，精確度達到最大值84%。因此，Ψο最佳取值為11。

2.3 實驗結果分析

2.3.1 交互數據完整度分析

交互數據完整度如圖5 所示。

圖5 交互數據完整度

相較于對比方法，提出方法獲得的交互數據完整度最大值達到96%，表明提出方法的數據交互安全傳輸性能更好。

2.3.2 交互數據機密性分析

交互數據機密性數據如圖6 所示。

圖6 交互數據機密性數據

相較于對比方法，應用提出方法獲得的交互數據機密性最大值達到0.92，表明提出方法的數據交互安全性更強。由此證明應用提出方法的數據交互性能更佳。

3 結束語

文中引入可信技術提出新的數字化水電集控中心數據安全交互方法。從水電集控中心數據交互模型構建、基于可信技術的交互數據機密性保護、數據交互節點行為可信度量三個方面實現水電集控中心數據安全交互。結果表明，該方法提升交互數據完整度及其機密性，保障數據交互安全性，為水電集控中心的穩定運行提供支撐。