大數(shù)據(jù)技術支持下的數(shù)字海洋系統(tǒng)及安全需求分析

周玉斌 黃云明 胥維坤 王建村

摘要：為解決數(shù)字海洋系統(tǒng)在海洋環(huán)境數(shù)據(jù)分析和應用過程中面臨的安全挑戰(zhàn)，本文以數(shù)據(jù)傳輸安全性為例進行研究，提出了加密技術在數(shù)據(jù)傳輸過程中的應用方案。當前，數(shù)字海洋系統(tǒng)面臨傳輸過程中數(shù)據(jù)泄露和被竊取的風險，而加密技術可以有效保障數(shù)據(jù)的機密性和完整性，從而提升系統(tǒng)的安全性和可信度。為此，本文提出了采用SSL/TLS等加密技術確保數(shù)據(jù)傳輸安全性的解決方案，以期為數(shù)字海洋系統(tǒng)相關人員提供針對數(shù)據(jù)傳輸安全性的解決方案，并為系統(tǒng)設計和實施提供參考。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)技術；數(shù)字海洋系統(tǒng)；數(shù)字海洋系統(tǒng)安全需求

引言

隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，數(shù)字海洋系統(tǒng)在海洋資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測和安全保障等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，數(shù)字海洋系統(tǒng)在應用過程中面臨諸多安全挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。因此，本文將針對大數(shù)據(jù)技術支持下的數(shù)字海洋系統(tǒng)及其安全需求進行分析，旨在提出有效的解決方案，以確保數(shù)字海洋系統(tǒng)的安全性和可靠性，為相關人員提供參考和指導。

1. 數(shù)字海洋系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術架構與關鍵技術

數(shù)字海洋系統(tǒng)的技術架構主要包括數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)應用與服務四個方面。在數(shù)據(jù)采集與傳輸方面，海洋傳感器網(wǎng)絡的建設是關鍵，包括各類傳感器、遙感技術等的應用，以實現(xiàn)對海洋環(huán)境參數(shù)、海洋生物信息等數(shù)據(jù)的實時、全面采集。數(shù)據(jù)存儲與管理采用分布式存儲、云存儲等技術，保障海量數(shù)據(jù)的安全性和高效性。數(shù)據(jù)處理與分析利用大數(shù)據(jù)技術、人工智能等手段，實現(xiàn)對海洋數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，提煉有價值的信息。數(shù)據(jù)應用與服務則是將分析結果應用到海洋科學研究、海洋經(jīng)濟管理和環(huán)境保護等領域，為決策提供支撐[1]。

1.2 應用場景與成效展示

數(shù)字海洋系統(tǒng)已經(jīng)在多個領域取得了顯著的應用成效。在海洋資源開發(fā)利用方面，數(shù)字海洋系統(tǒng)為海洋能源開發(fā)、漁業(yè)資源管理等提供了精準的數(shù)據(jù)支持，提高了資源的開發(fā)利用效率。在海洋環(huán)境保護方面，數(shù)字海洋系統(tǒng)可以實時監(jiān)測海洋環(huán)境污染、海洋生態(tài)變化等情況，為環(huán)境保護決策提供科學依據(jù)。在海洋災害預警與救援方面，數(shù)字海洋系統(tǒng)通過對海洋氣象、海洋地質(zhì)等數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，提前預警海嘯、臺風等災害，并提供緊急救援指導，減少了災害損失[2]。

2. 現(xiàn)有數(shù)字海洋系統(tǒng)存在的問題

2.1 缺乏全局性、多途徑海洋信息獲取能力

現(xiàn)有數(shù)字海洋系統(tǒng)面臨缺乏全局性、多途徑海洋信息獲取能力的問題。傳統(tǒng)海洋觀測主要依賴有限數(shù)量的觀測站點和傳感器，導致海洋信息獲取存在盲區(qū)和局限性。原因在于現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍有限，而且傳統(tǒng)的觀測手段難以應對海洋環(huán)境的多變性和復雜性。此外，傳統(tǒng)海洋觀測手段往往無法滿足對多維度信息的需求，如海洋生物、海洋地質(zhì)等方面的信息獲取能力較弱。

2.2 缺乏海量海洋數(shù)據(jù)動態(tài)、智能分析能力

數(shù)字海洋系統(tǒng)存在缺乏海量海洋數(shù)據(jù)動態(tài)、智能分析能力的問題。海洋數(shù)據(jù)量龐大且呈現(xiàn)高度動態(tài)性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析方法往往無法對數(shù)據(jù)及時處理和智能分析。主要是由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法受限于計算能力和算法手段。因此，數(shù)字海洋系統(tǒng)在應對海洋環(huán)境變化和事件響應方面存在滯后性和不足之處，影響了系統(tǒng)的實用性和應用效果。

2.3 多類型數(shù)據(jù)處理能力不足

數(shù)字海洋系統(tǒng)存在多類型數(shù)據(jù)處理能力不足的問題。海洋數(shù)據(jù)包括海洋物理、海洋化學、海洋生物等多種類型，不同類型的數(shù)據(jù)具有不同的特點和處理要求。然而，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法往往無法很好地兼容和處理多類型數(shù)據(jù)。主要是由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術受限于單一數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構，無法實現(xiàn)對多類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和處理。同時，海洋數(shù)據(jù)的多樣性和復雜性也給數(shù)據(jù)處理帶來了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法往往無法有效應對多維度、多源數(shù)據(jù)的復雜關系和變化規(guī)律[3]。因此，數(shù)字海洋系統(tǒng)在對復雜海洋系統(tǒng)的綜合分析和建模過程中存在困難，影響了系統(tǒng)對海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的全面理解和應用效果。

2.4 缺乏數(shù)據(jù)安全保障體系設計

數(shù)字海洋系統(tǒng)存在缺乏數(shù)據(jù)安全保障體系設計的問題。海洋數(shù)據(jù)涉及國家安全、商業(yè)機密等重要信息，一旦泄露或被篡改，將對國家利益和社會穩(wěn)定造成嚴重影響。然而，目前數(shù)字海洋系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安全保障方面存在設計不足的問題，缺乏完善的數(shù)據(jù)安全管理機制和技術手段。主要是由于海洋數(shù)據(jù)的多樣性和復雜性導致數(shù)據(jù)安全保障難度增加，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全技術和手段往往無法很好地適應海洋數(shù)據(jù)的安全保障需求。同時，數(shù)字海洋系統(tǒng)涉及多方合作和信息交互，數(shù)據(jù)安全問題更顯復雜和嚴峻。因此，數(shù)字海洋系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和應用的全過程都存在數(shù)據(jù)安全隱患，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 基于大數(shù)據(jù)技術的數(shù)字海洋系統(tǒng)應用

3.1 系統(tǒng)應用目標

基于大數(shù)據(jù)技術的數(shù)字海洋系統(tǒng)應用目標在于實現(xiàn)對海洋資源的可持續(xù)開發(fā)利用、海洋環(huán)境的綜合監(jiān)測與保護，以及海洋安全的全面保障。一方面，系統(tǒng)旨在通過大數(shù)據(jù)分析，提高海洋資源的開發(fā)利用效率，實現(xiàn)海洋經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。例如，系統(tǒng)可以分析海洋生物資源的分布和數(shù)量，指導漁業(yè)生產(chǎn)的合理開展，最大限度保護海洋生物資源的可持續(xù)利用。另一方面，系統(tǒng)目標在于全方位監(jiān)測海洋環(huán)境的變化，并及時預警和應對海洋環(huán)境問題。通過大數(shù)據(jù)技術，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對海洋水質(zhì)、海洋生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)、海洋污染物分布等多方面信息的實時監(jiān)測和分析，確保海洋生態(tài)環(huán)境的健康與穩(wěn)定。

3.2 系統(tǒng)主體框架

數(shù)字海洋系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)技術的主體框架包括數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)應用與服務四個主要模塊。首先，數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊負責從多種數(shù)據(jù)源獲取海洋數(shù)據(jù)，并通過傳感器網(wǎng)絡、衛(wèi)星遙感等手段將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)平臺。其次，數(shù)據(jù)存儲與管理模塊通過分布式存儲和云存儲技術，對海量海洋數(shù)據(jù)進行安全高效的存儲和管理。再次，數(shù)據(jù)處理與分析模塊采用大數(shù)據(jù)技術和人工智能算法，對海洋數(shù)據(jù)進行深度挖掘、分析和建模，提取有價值的信息[4]。最后，數(shù)據(jù)應用與服務模塊將分析結果應用到海洋資源管理、環(huán)境監(jiān)測、安全預警等方面，為政府部門、科研機構和企業(yè)提供相關服務和決策支持。

3.3 安全風險優(yōu)化

基于大數(shù)據(jù)技術的數(shù)字海洋系統(tǒng)安全風險優(yōu)化主要包括數(shù)據(jù)安全保障、系統(tǒng)安全監(jiān)測與預警、人員培訓與意識提升、合作與信息共享四個方面。首先，系統(tǒng)需要建立健全數(shù)據(jù)安全管理機制，采用數(shù)據(jù)加密、權限控制等技術手段，保障海洋數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。其次，系統(tǒng)應建立完善的安全監(jiān)測與預警機制，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)和安全事件，及時發(fā)現(xiàn)并應對潛在的安全威脅。最后，系統(tǒng)需開展安全意識培訓和技術培訓，提升系統(tǒng)用戶和管理人員的安全意識和技術能力，減少人為失誤和安全漏洞的風險。

4. 大數(shù)據(jù)技術支持下的數(shù)字海洋系統(tǒng)安全需求

4.1 數(shù)據(jù)安全保障需求

數(shù)字海洋系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)是其核心資產(chǎn)之一，因此，數(shù)據(jù)安全保障是系統(tǒng)的首要任務。這包括數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可用性。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要采用加密技術確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕辉跀?shù)據(jù)存儲過程中，需建立權限控制機制，限制數(shù)據(jù)的訪問權限；同時，建立數(shù)據(jù)備份與恢復機制，確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。此外，針對海洋數(shù)據(jù)的特點，如海洋環(huán)境復雜多變，還需要考慮數(shù)據(jù)的時效性和實時性，以確保數(shù)據(jù)分析和應用的準確性。數(shù)字海洋系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)安全需求分析如表1所示。

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性需求

4.2.1 高可用性要求

數(shù)字海洋系統(tǒng)的高可用性意味著系統(tǒng)需要保持長時間的穩(wěn)定運行，即使在部分組件發(fā)生故障的情況下也能夠提供服務。為實現(xiàn)高可用性，系統(tǒng)需要具備故障轉(zhuǎn)移和自動恢復機制，如采用主從復制、熱備份等技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份和恢復，以及使用負載均衡器來分發(fā)請求，避免單點故障。

4.2.2 容錯性要求

系統(tǒng)的容錯性是指系統(tǒng)在面對故障時能夠自動檢測并快速恢復，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為提高系統(tǒng)的容錯性，可以采用多副本存儲數(shù)據(jù)、使用分布式存儲系統(tǒng)，以及實現(xiàn)自動化的故障檢測和恢復機制。此外，還可以采用微服務架構，將系統(tǒng)拆分為多個獨立的服務單元，降低單個服務故障對整個系統(tǒng)的影響。

4.2.3 技術實現(xiàn)方案

為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的需求，數(shù)字海洋系統(tǒng)可以采用以下技術實現(xiàn)方案：（1）使用容器化技術，如Docker和Kubernetes，實現(xiàn)服務的快速部署和自動擴展，提高系統(tǒng)的彈性和穩(wěn)定性。（2）使用分布式數(shù)據(jù)庫，如Hadoop、Cassandra等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲和高可用性，防止單點故障。（3）引入微服務架構，將系統(tǒng)拆分為多個小型服務單元，實現(xiàn)服務的獨立部署和升級，降低系統(tǒng)耦合度，提高系統(tǒng)的可維護性和穩(wěn)定性。（4）部署監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能指標，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.3 應急響應能力需求

面對突發(fā)事件或安全威脅，數(shù)字海洋系統(tǒng)需要具備快速的應急響應能力。這包括實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)和安全事件、建立預警機制和應急響應流程、開展安全事件的調(diào)查和處理等方面[5]。同時，建立應急預案和演練機制，提前進行應急響應演練，可以有效提高系統(tǒng)應對突發(fā)事件的能力和水平。

結語

在大數(shù)據(jù)技術的支持下，數(shù)字海洋系統(tǒng)的發(fā)展日益壯大，為海洋資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測和安全保障等領域帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)。本文對數(shù)字海洋系統(tǒng)及其安全需求進行了分析，重點關注了數(shù)據(jù)傳輸安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和應急響應能力等方面。通過對這些關鍵問題的深入探討，提出了一系列解決方案，如采用加密技術確保數(shù)據(jù)傳輸安全性、使用分布式架構提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、建立應急響應機制保障系統(tǒng)安全等。這些解決方案為數(shù)字海洋系統(tǒng)的安全性和可靠性提供了有效保障，為數(shù)字海洋領域的進一步發(fā)展奠定了堅實基礎。

參考文獻：

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[5]王漪，韓璐遙，呂憧憬，等.海洋數(shù)據(jù)定制化共享服務系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].地理空間信息，2018，16（7）：83-85，110，11.

作者簡介：周玉斌，碩士研究生，高級工程師，研究方向：深海大數(shù)據(jù)管理及其應用；黃云明，本科，高級工程師，研究方向：深海大數(shù)據(jù)處理與信息系統(tǒng)開發(fā)；胥維坤，碩士研究生，工程師，研究方向：深海資源與環(huán)境；王建村，碩士研究生，工程師，研究方向：深海數(shù)據(jù)處理與應用。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目——“深海和極地關鍵技術與裝備”重點專項深海采礦羽流影響監(jiān)測模擬關鍵技術項目（編號：2022YFC2803805）。