摘  要： 探討了在城市軌道交通綜合自動化系統(tǒng)中將傳統(tǒng)以電調(diào)、環(huán)調(diào)為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)中ATS系統(tǒng)集成后在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的安全性問題，識別了關(guān)注的重點，給出了一個基于OPC UA的具體實現(xiàn)方案。最后給出了若干實施建議。

　　關(guān)鍵詞： 綜合監(jiān)控系統(tǒng)；信號系統(tǒng)；ATS；開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；安全性；可靠性；OPC UA

0 引言

　　目前國內(nèi)的城市軌道交通綜合自動化普遍采用的是以電調(diào)、環(huán)調(diào)為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案，即綜合監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)中的ATS（自動列車監(jiān)督）子系統(tǒng)互聯(lián)，進行信息交換。這種方案沒有將地鐵運行中最重要的環(huán)節(jié)“行車調(diào)度指揮”真正集成，使得綜合自動化系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)聯(lián)動功能難以充分發(fā)揮其作用[1]。要提升綜合監(jiān)控系統(tǒng)的運營維護管理水平，提高集成度，形成以行車調(diào)度指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)是必由之路。

　　以行車調(diào)度指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的顯著特征是集成信號系統(tǒng)的ATS子系統(tǒng)，同時集成與行車指揮有關(guān)的系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對軌道交通中環(huán)境、供電、設(shè)備、乘客、列車的全面監(jiān)控，同時通過緊密集成后形成的大范圍信息共享，可以進一步實現(xiàn)各個專業(yè)子系統(tǒng)之間的快速聯(lián)動，真正做到為運營指揮部門服務(wù)，提高軌道交通運營指揮的自動化水平[2]。

　　實施這樣一個以行車調(diào)度指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)將會面臨兩個挑戰(zhàn)。

　　第一個挑戰(zhàn)是采用何種集成技術(shù)方案。這是因為傳統(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)和信號系統(tǒng)是由不同的廠家提供的。對此參考文獻[3]給出了戴帽、內(nèi)嵌和完全集成3種實施方案，并在集成系統(tǒng)的接口范圍、接口劃分和功能設(shè)置上都給出了較為具體的方案；參考文獻[2]則給出了一個分階段實施方案，但大體思路與參考文獻[3]類似；而南瑞和卡斯科已經(jīng)在北京地鐵6號線實現(xiàn)了一個接近完全集成后的系統(tǒng)，并取得了不錯的效果。集成技術(shù)方案的主要難點一般聚焦于兩點，一是如何協(xié)調(diào)和分配安全完整性等級，二是傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)軟件在多大程度上向?qū)Ψ介_放。

　　第二個挑戰(zhàn)就是信息安全（Security）。因為無論傳統(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)還是ATS系統(tǒng)目前都是運行在一個封閉的網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，對外沒有互聯(lián)互通。由于沒有現(xiàn)實的信息安全威脅，系統(tǒng)在設(shè)計、實現(xiàn)與部署過程中，其主要指標是可用性、功能、性能、功能安全（Safety）、實時性等，而無需過多考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊、信息安全等問題。但是，隨著近年來以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化為特征的ICT（信息和通信技術(shù)）的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、云計算等應(yīng)用的日益普及，綜合監(jiān)控系統(tǒng)不能不考慮進一步對其安全邊界之外的用戶開放，無論是路網(wǎng)內(nèi)各條線路之間水平方向的信息交換，還是作為基礎(chǔ)信息平臺在垂直方向向信息系統(tǒng)擴展，趨勢都是與線網(wǎng)內(nèi)外的其他系統(tǒng)互聯(lián)互通，特別是當以行車調(diào)度指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)逐步形成線路內(nèi)唯一的集成信息共享平臺后，這一趨勢看上去更加明顯。

　　因此，新一代的以行車調(diào)度為中心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)在集成方案和技術(shù)平臺的選擇上都應(yīng)該在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下考慮，并將保障信息安全作為一項關(guān)鍵的設(shè)計原則。

1 目標環(huán)境下的系統(tǒng)風險

　　1.1 安全性和可靠性

　　對于城市軌道交通系統(tǒng)，安全性指在系統(tǒng)運營過程中，保障“乘客和員工不受傷害以及設(shè)備（設(shè)施）不遭破壞”的能力。保障“乘客和員工不受傷害以及設(shè)備（設(shè)施） 不遭破壞”的能力包含了兩個方面，即不發(fā)生意外的安全（Safety） 和免遭破壞的安全（Security）[4]。為劃清這兩個術(shù)語之間的區(qū)別，本文以下將“Safety”稱為“功能安全”，將“Security”稱為“信息技術(shù)安全”。

　　根據(jù)ISO8402 的定義， 功能安全是“使傷害或損害的風險限制在可接受的水平內(nèi)”。系統(tǒng)的安全性視為是其一種內(nèi)在的特性， 這種屬性確定了系統(tǒng)在運行中， 避免觸發(fā)人身傷亡、重大財產(chǎn)損失或環(huán)境污染等事故的能力。功能安全由安全完整性來度量。根據(jù)IEC61508中的基本定義，安全完整性是指在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)，安全系統(tǒng)成功實現(xiàn)所要求的安全功能的概率[5]。

　　而信息技術(shù)安全是指自動化系統(tǒng)本身也需要加以保護，以防止濫用、安全攻擊、未經(jīng)授權(quán)的訪問和泄密等，保護數(shù)據(jù)和服務(wù)系統(tǒng)。信息技術(shù)安全措施的目標是提高保密性（特定的機器/人類用戶的數(shù)據(jù)和服務(wù)的訪問限制）、完整性（數(shù)據(jù)的精度/完整以及服務(wù)的正確操作）和可用性（測量系統(tǒng)在特定時間內(nèi)執(zhí)行功能的能力）[6]。

　　在軌道交通領(lǐng)域普遍采用的基于IEC61508的歐標EN51026中沒有規(guī)定確保系統(tǒng)信息技術(shù)安全的要求，但將其作為表征鐵路系統(tǒng)應(yīng)對破壞行為和人們不合理行為自我恢復(fù)能力的一個要素[7]，因此是系統(tǒng)危害分析中的一個重要方面。從根本上說，信息技術(shù)安全性是為降低攻擊所造成的損害。通過識別對系統(tǒng)的威脅，以及識別系統(tǒng)對這些威脅的漏洞，并提供相應(yīng)的對策，以直接減少漏洞、抵消威脅，或從成功的攻擊中恢復(fù)。通過多年來通用的信息系統(tǒng)安全性的經(jīng)驗，已經(jīng)形成了一組相當穩(wěn)定的安全目標，并形成一系列相關(guān)的標準。像地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)這類工業(yè)自動化系統(tǒng)要達到安全性也必須滿足這樣一組目標，這些目標主要聚焦在可用性、完整性、保密性、認證、授權(quán)和不可抵賴性幾個方面（按重要性排列）。不可抵賴性主要體現(xiàn)在事后審計上，因此一般來說重要性最低。而對工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)備的可用性、實時性、可控性等特性要求很高，因此可用性最為重要。

　　與安全性有區(qū)別但又有密切關(guān)系的是可靠性?？煽啃允侵讣榷ōh(huán)境下既定時間內(nèi)一個（技術(shù)）系統(tǒng)正常運行的概率。依賴于所提供系統(tǒng)或由該系統(tǒng)本身的正確操作，包括低故障率、高容錯性（即能夠保持正常運行，即使發(fā)生故障時）和魯棒性（基本功能的能力，以保證不發(fā)生故障）[6]。對于城市軌道交通系統(tǒng)，可靠性指在系統(tǒng)運營過程中，保障“乘客準時到達目的地”的能力。通常所講的“保障乘客安全正點旅行”即包含了系統(tǒng)安全性與可靠性兩方面的概念。

　　1.2 開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

　　開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照歐標 EN50159的定義，是指“具有未知、可變或非受信屬性且擁有未知數(shù)量的參與者，用于未知電信服務(wù)并對未經(jīng)授權(quán)的訪問進行評估的系統(tǒng)” [8]。顯然與封閉傳輸系統(tǒng)相比，這諸多“未知”因素增加的安全風險主要來自信息技術(shù)安全方面。按照EN50159的安全相關(guān)系統(tǒng)在通信上的防護要求，主要體現(xiàn)在防御傳輸錯誤和防御未經(jīng)授權(quán)的訪問上。實際上還應(yīng)該加上可用性，因為惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊（比如消息洪水）可能造成某臺功能服務(wù)器性能顯著下降，從而使安全相關(guān)功能受損或不可用。

　　1.3 安全相關(guān)系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)上ATS雖然不是故障安全系統(tǒng)，但仍具有安全相關(guān)功能，如參考文獻[9]中列出的中途停車、取消臨時限速、解除區(qū)間封鎖或施工區(qū)等可能潛在地導(dǎo)致系統(tǒng)危害的操作，故其安全完整性等級是SIL2級。并且，與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)緊密集成后還可能產(chǎn)生新的安全相關(guān)功能。因此，當集成后的系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件、統(tǒng)一的人機界面和統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺時，也要按照安全工程的要求，實施一個從需求到設(shè)計到實現(xiàn)貫穿完整生命周期的風險分析過程，包括初步危害分析、子系統(tǒng)危害分析、系統(tǒng)危害分析和操作與支持危害分析 （O&SHA）等。

　　初步危害分析的目的是識別出安全相關(guān)功能。一個功能如果滿足下列條件可以被認為是安全相關(guān)功能：

　?。?）該功能的失效也許/可能與其他事件組合在一起，導(dǎo)致發(fā)生人身傷害或地鐵運營中斷；

　　（2）為使導(dǎo)致人身傷害的總體風險降低到可接受的程度，需要在這個功能上施加一定的完整性假設(shè)。

　　子系統(tǒng)危害分析的目的是識別出執(zhí)行安全相關(guān)功能的組件。按照IEC61508對安全完整性的基本定義，實際著重點在于安全系統(tǒng)（組件）執(zhí)行安全功能的可靠性。

　　系統(tǒng)危害分析的目的是評估整個系統(tǒng)設(shè)計特別是子系統(tǒng)間接口設(shè)計的風險，對任何可能影響到功能和系統(tǒng)的附加危害進行評審。顯然，在開放網(wǎng)絡(luò)下，子系統(tǒng)間接口設(shè)計的新的風險主要來自信息技術(shù)安全。

　　1.4 風險分析和應(yīng)對措施的重點

　　由于安全完整性等級是SIL2級，因此業(yè)界普遍認為與綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成后的目標系統(tǒng)的安全完整性也應(yīng)是SIL2級。但是，還需要仔細分析，SIL等級分配實際與集成方案有關(guān)，并因此影響目標系統(tǒng)的風險分析和應(yīng)對措施的重點。比如，如果采用所謂“戴帽”方案，即僅在操作員工作站做人機界面集成，且安全相關(guān)功能所有的功能性都被設(shè)計在服務(wù)器端，而用戶界面只是“一個遠程顯示系統(tǒng)或啞終端”時，實際用戶界面和原來的綜合監(jiān)控系統(tǒng)就可以被定義在SIL0或SIL1級。由于原來的綜合監(jiān)控系統(tǒng)不具有安全相關(guān)功能，因此，一定集成后的ATS的安全相關(guān)功能的執(zhí)行依賴于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的某個組件，才需要為這個綜合監(jiān)控組件分配同等的SIL等級，這時，這個組件在設(shè)計上的要求就不是功能安全，而是可靠性。

　　通常造成系統(tǒng)進入不安全狀態(tài)的原因可能有多種，比如硬件部件失效、系統(tǒng)部件接口出現(xiàn)問題、操作中的人為錯誤、環(huán)境應(yīng)力改變等，但是，真正對目標系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生影響的原因主要還是來自軟件，包括軟件控制錯誤和軟件失效，因為其他原因在原來分離或淺集成的系統(tǒng)中大部分也是存在的。

　　因此，集成后的目標系統(tǒng)要達到服務(wù)安全性和可用性目標，風險分析和應(yīng)對措施的重點應(yīng)放在軟件可靠性和信息技術(shù)安全上，以此來保證安全相關(guān)功能執(zhí)行的正確性和可用性。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

　　在實際分析系統(tǒng)的安全性時，必須要考慮以下兩方面的因素：（1）信息技術(shù)安全的措施（如加密或認證）對運營安全的影響，如時間關(guān)鍵功能、資源可用性等，因為通常實施緩解措施總要付出某些代價；（2）安全相關(guān)功能對信息技術(shù)安全的影響，例如“某個操作功能是否會增加網(wǎng)絡(luò)攻擊的風險”，典型的例子如機密性遭到破壞， 竊密本身不會對系統(tǒng)的功能安全造成危害，但可能是下一步真正的網(wǎng)絡(luò)攻擊的前奏。

　　在實際分析系統(tǒng)的可用性時，必須要考慮能夠使系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)的軟件控制錯誤和軟件失效。典型的軟件控制錯誤如：不能執(zhí)行某一個要求的功能，執(zhí)行了一種非要求的功能；時間和順序問題上的錯誤；不能識別某一種需要采取改正措施的風險條件；對于某種風險條件產(chǎn)生了錯誤反應(yīng)。典型的軟件失效如：應(yīng)用程序異常退出、應(yīng)用程序僵尸、應(yīng)用任務(wù)有資源泄露長期運行資源耗盡、運行負荷高響應(yīng)性能下降等。

2 以行車調(diào)度為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模型

　　2.1 系統(tǒng)架構(gòu)模型

　　綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS的集成是一個通用的監(jiān)控平臺與一個高度專業(yè)化的軟件進行集成，而ATS不僅有監(jiān)控職能，還有計劃調(diào)度功能，因此比較好的集成方案是將ATS的基本監(jiān)控功能劃歸綜合監(jiān)控系統(tǒng)，形成一個集信號和其他專業(yè)子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)于一體的綜合數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)所有專業(yè)子系統(tǒng)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和以人工控制為主的基本監(jiān)控，而ATS的自動功能（列車跟蹤、自排進路、自動調(diào)整等）及其他管理型模塊則作為基于該平臺的一個應(yīng)用程序。綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)平臺向ATS（也包括其他應(yīng)用程序）提供一個平臺中立的標準服務(wù)接口，ATS應(yīng)用程序通過該接口訪問來自底層信號系統(tǒng)（ATP、CBI等）的原始實時數(shù)據(jù)、寫入經(jīng)過ATS處理后的數(shù)據(jù)以及向底層信號系統(tǒng)發(fā)送控制命令。

　　圖2所示的是一個基于中間件的以行車調(diào)度為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模型。

　　中間件的本質(zhì)特征就是管理分布式基礎(chǔ)設(shè)施中的復(fù)雜性和異構(gòu)性。因此圖2不是真實工程中從硬件角度描述的系統(tǒng)構(gòu)成，而是系統(tǒng)構(gòu)成的軟件抽象。例如，圖中的“主機/集群”可以代表所有的控制中心、車站或任意可能的中間層的系統(tǒng)服務(wù)器，它們可能既是底層服務(wù)器的客戶端，同時又作為聚合服務(wù)器為上層的應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，因此可以表示分層分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的多層。

　　中間件總線表示為一個軟件總線，掛在總線上的客戶端應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序之間實現(xiàn)客戶端/服務(wù)器模型。中間件必須在以下三種情況下確?？蛻舳朔?wù)器通信不影響應(yīng)用層的軟件處理邏輯：客戶端和服務(wù)器被部署在同一臺計算機上；客戶和服務(wù)被部署在不同計算機上，但處于同一個安全邊界之內(nèi)；客戶和服務(wù)被部署在不同計算機上，但可以連接在內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、外聯(lián)網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)中。

　　在這個模型中，選擇的中間件技術(shù)平臺是由OPC基金會制定的統(tǒng)一架構(gòu)標準OPC UA。該標準所提供的SOA架構(gòu)和內(nèi)置的信息技術(shù)安全是其被采用的重要原因，能夠以一種相對松耦合而又安全的方式集成兩個應(yīng)用軟件是最佳的。此外，OPC UA還提供了信息建模和安全技術(shù)的擴展性，滿足系統(tǒng)對通用監(jiān)控數(shù)據(jù)平臺的期望。

　　2.2 軟件架構(gòu)

　　本系統(tǒng)采用的以行車調(diào)度為中心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成方案是由原來的綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的硬件、統(tǒng)一的人機界面和統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，而ATS軟件作為依賴于該平臺的一個應(yīng)用程序，它們之間采用OPC UA 客戶/服務(wù)器模式進行通信。新的綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

　　在此架構(gòu)中，將ATS軟件以及其他基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用程序（如圖3中所示的“聯(lián)動組件”）與HMI一起統(tǒng)稱為 “SCADA應(yīng)用程序”，在OPC UA的客戶/服務(wù)器模型中扮演Client角色，它們從服務(wù)器（甚至FEP）獲取實時/歷史數(shù)據(jù)/事件，按照特定的應(yīng)用邏輯加工，然后再把結(jié)果寫回服務(wù)器；服務(wù)器組件通常既是UA Server也是UA Client，作為Server它們向Client提供實時/歷史數(shù)據(jù)/事件訪問，作為Client它們有從底層服務(wù)器（如FEP）獲取實時數(shù)據(jù)并進行通用的處理。而FEP作為UA Server負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制命令輸出，流經(jīng)FEP的數(shù)據(jù)流總是原始數(shù)據(jù)。

　　屬于ATS組件的高安全完整性命令也可以不經(jīng)由SCADA服務(wù)器直接通過FEP輸出，但通信關(guān)系仍是UA 的客戶/服務(wù)器模型。分布式的ATS組件（如中心ATS主機和車站ATS分機）之間可以仍保留其專用的通信通道和方式，傳輸專用的信息，如圖3中所示的運行時刻表數(shù)據(jù)。

　　在這一架構(gòu)中，綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺是一個通用的平臺，因此它不應(yīng)實現(xiàn)任何特定的安全相關(guān)功能，但必須為安全相關(guān)功能的執(zhí)行提供信息技術(shù)安全，包括數(shù)據(jù)保護和高可用性。

3 目標系統(tǒng)組件間通信的安全性

　　EN50129-2標準規(guī)定了開放傳輸系統(tǒng)中對安全相關(guān)消息通信可能產(chǎn)生的各種威脅，并歸納出7種基本消息錯誤，即消息重復(fù)、消息刪除、消息插入、消息亂序、消息毀壞、消息延時、消息偽裝。這些消息錯誤既可能是通信機制的可靠性引起的，也可能是安全攻擊引起的，盡管原因不盡相同，但采取的防御措施有相同之處。

　　下面介紹的OPC UA技術(shù)平臺為組件間通信提供了強大的安全性和健壯性，可以為安全相關(guān)消息的通信提供很大程度上的保證。

　　3.1 OPC UA簡介

　　OPC UA是OPC基金會2006年推出的新一代技術(shù)，并已成為IEC標準，用于安全、可靠和廠商獨立的原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理信息的傳輸，范圍從傳感器和現(xiàn)場級的PLC和嵌入式設(shè)備直到控制系統(tǒng)并延伸到生產(chǎn)計劃系統(tǒng)，所有類型的信息可以隨時隨地為每個授權(quán)的用戶和每個授權(quán)的人所使用。它的重點是建立互操作性標準，其主要技術(shù)特點如：面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ?、抽象和映射、安全、裁剪專?guī)（Profile）、魯棒性。

　　OPC UA的一個目標就是為過程控制和管理系統(tǒng)的集成提供一個一致的機制，并確保為這類應(yīng)用提供健壯和有效的安全性。同時該安全基礎(chǔ)設(shè)施也具有靈活性，可以支持各種不同組織在不同層次所需要的安全策略。這樣，OPC UA可以被部署在不同的環(huán)境，從客戶端和服務(wù)器駐留在同一主機的單機環(huán)境、由某個安全邊界防護的封閉的運營網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，直到使用公網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的全球環(huán)境中運行的應(yīng)用程序。根據(jù)不同的環(huán)境和應(yīng)用要求，通信服務(wù)可以提供不同的保護，以保證解決方案的安全性。

　　3.1.1 OPC UA的安全模型

　　OPC UA技術(shù)采用了信息技術(shù)中成熟的安全理念，為系統(tǒng)提供了保護，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問，防止破壞和對過程數(shù)據(jù)的無意修改。其安全概念包含對用戶和應(yīng)用程序的身份驗證、消息簽名和對傳輸數(shù)據(jù)本身進行加密。OPC UA的安全性基于互聯(lián)網(wǎng)公認的安全通信標準，如SSL、TLS和AES。并且安全機制是標準的一部分，被內(nèi)置到OPC UA核心，對供應(yīng)商是強制性的，但用戶可以根據(jù)各自的情況使用各種安全功能的組合。

　　OPC UA的安全模型針對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備目前所面臨的典型的系統(tǒng)安全威脅，包括主動攻擊和被動攻擊，如消息洪水、消息竊聽、消息欺騙、消息篡改、消息重放、畸形消息、服務(wù)器剖析、會話劫持、流氓服務(wù)器、盜用證書等，并制訂了相應(yīng)的緩解措施。OPC UA核心的安全功能涉及如下信息技術(shù)安全目標：身份認證、授權(quán)、保密性、完整性、可用性和審計能力（不可抵賴性）。

　　對信息技術(shù)安全，OPC UA針對工業(yè)控制的特點，補充了大多數(shù)支持Web平臺所提供的安全基礎(chǔ)設(shè)施，采用了分別在傳輸層、應(yīng)用層和用戶層提供多層保護的“縱深防御”的策略，在基本傳輸連接基礎(chǔ)上，UA客戶端和服務(wù)器需要建立一個安全通道（通信層上的一個虛擬的端到端連接），并建立一個會話（應(yīng)用層上的一個虛擬通信關(guān)聯(lián)）。安全通道用于定義安全模式和安全方針。安全模式描述如何對消息進行加密。OPC UA定義了三個選項可供選擇：“無”、“簽名”和“簽名且加密”。安全方針則定義了加密消息的算法。啟動時，客戶端需要服務(wù)器實例證書的公鑰。然后，客戶端發(fā)送自己的實例證書，由服務(wù)器根據(jù)它來決定是否信任該客戶端。

　　多層保護的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　表1是一個針對安全目標OPC UA所采用的應(yīng)對方案。

　　此外，與傳統(tǒng)中間件技術(shù)平臺（如CORBA或DCOM）不同的是，OPC UA可以穿越防火墻。OPC UA采用了一種基于TCP的、優(yōu)化的二進制協(xié)議，通過已在IANA注冊的4840端口進行數(shù)據(jù)交換，在防火墻中只需要打開這一個端口。也可選擇支持Web服務(wù)和HTTP。集成的加密機制可以確?；ヂ?lián)網(wǎng)上的安全通信。

　　3.1.2 OPC UA通信的健壯性

　　OPC UA定義了一個健壯的體系結(jié)構(gòu)，具有可靠的通信機制，可配置超時和自動錯誤檢測。消除錯誤的機制能自動恢復(fù)OPC UA客戶端和OPC UA服務(wù)器之間的通信連接而不會丟失數(shù)據(jù)。采用客戶-服務(wù)器模式的數(shù)據(jù)訪問時，客戶端發(fā)送一個服務(wù)請求，并從服務(wù)器接收異步響應(yīng)。每一個服務(wù)調(diào)用都包含一個可配置的超時時間，客戶端將等待直到響應(yīng)到達。序列號用于識別對應(yīng)的請求/響應(yīng)消息對。當采用“訂閱-發(fā)布”模式讀取事件或值變化通知時，每個發(fā)布的數(shù)據(jù)響應(yīng)由客戶端用下一個發(fā)布請求進行確認。萬一連接中斷或傳送失敗，服務(wù)器保留未確認的消息，并在連接再次恢復(fù)時重新發(fā)送。在此期間收集的數(shù)據(jù)將被服務(wù)器緩沖或排隊，使得在短暫的網(wǎng)絡(luò)中斷中不丟失任何數(shù)據(jù)。

　　OPC UA要求一個“有狀態(tài)”模型作為增強解決方案的魯棒性的一個特征。狀態(tài)信息被保存在應(yīng)用程序會話內(nèi)，例如訂閱，用戶憑證和延續(xù)點可以在操作上跨越多個請求。會話被定義為客戶端和服務(wù)器之間的邏輯連接。值得強調(diào)的是，每個會話都是獨立于底層通信協(xié)議的。這些協(xié)議的故障不會導(dǎo)致會話自動終止。會話終止是基于客戶機或服務(wù)器的請求，或基于客戶端的失活。

　　3.2高完整性控制命令的傳輸

　　OPC UA標準對各種信息技術(shù)安全威脅的防御和緩解措施參見OPC UA規(guī)范第2部分[10]。根據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，這些措施已經(jīng)涵蓋了EN50129-2建議的主要防護要求，可以保證安全相關(guān)消息的確實性、完整性和有序性。但在消息的合時性方面可能需要從功能安全角度施加補充措施（但也不一定，依賴于具體的安全相關(guān)控制命令的傳輸要求），因為OPC UA的高可用性的主要目標是實時數(shù)據(jù)流不因通信故障而中斷。

4目標系統(tǒng)的安全性和可靠性設(shè)計要求

　　為滿足目標系統(tǒng)所要求的安全完整性，需要實施完整的安全生命周期過程，對此，EN50128提供了某些強制和建議要求。例如，可以實施一個圖5所示的軟件失效模式及影響分析過程，從而確定對軟件的安全性需求。

　　但是軟件的安全性和可靠性問題存在共性，例如軟件的失效原因可能包括：功能和性能缺陷、軟件結(jié)構(gòu)缺省、數(shù)據(jù)缺陷、軟件實現(xiàn)和編碼缺陷、軟硬件接口缺陷等。其中靜態(tài)缺陷可以比較容易克服，比如嚴格的質(zhì)量過程；但動態(tài)缺陷往往比較難于發(fā)現(xiàn)，比如可能隨機產(chǎn)生的某個事件引起程序執(zhí)行中的時序錯誤。因此在風險分析進行到設(shè)計過程時應(yīng)適當運用如時序分析、事件分析、Petri網(wǎng)分析等工具。

　　下面列出一些對前面給出的“以行車調(diào)度為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模型”的實施建議。

　　（1）人工操作與自動控制命令互鎖

　　融合了ATS基本監(jiān)控能力的綜合監(jiān)控軟件平臺與原來相比，需要增加一個至關(guān)重要的功能，即人工控制命令與自動控制命令互鎖，適用于任何列車和信號系統(tǒng)設(shè)備，以確保：

　　①受ATS基本監(jiān)控影響的所有操作員請求的控制優(yōu)先級都比ATS應(yīng)用程序的自動命令優(yōu)先級高；

　?、谒胁僮鲉T控制請求都被直接發(fā)送給現(xiàn)場，并遮蔽ATS應(yīng)用程序產(chǎn)生的現(xiàn)場命令；

　　③所有ATS應(yīng)用程序產(chǎn)生的命令都不能遮蔽操作員命令。

　?。ǎ玻╆P(guān)鍵控制操作

　　對于安全相關(guān)的控制功能，要求操作員必須介入，實行類似如下步驟的“執(zhí)行前檢查”過程，并且用戶輸入一個控制命令要服從特定的時間約束。

　　①操作員選擇執(zhí)行一個命令；

　?、诿畎l(fā)送到執(zhí)行裝置；

　　③執(zhí)行裝置驗證控制狀態(tài)；

　?、軋?zhí)行裝置將檢查結(jié)果返回給控制系統(tǒng)；

　?、菘刂葡到y(tǒng)將檢查結(jié)果顯示給操作員請求證實（Confirm）；

　?、蘅刂葡到y(tǒng)將證實發(fā)送到執(zhí)行裝置；

　?、邎?zhí)行裝置執(zhí)行該命令；

　　⑧控制系統(tǒng)驗證返回條件。

　?。?）設(shè)定值

　　設(shè)定值用于改變底層裝置中的模擬量設(shè)定值，或綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)平臺本身實時數(shù)據(jù)庫中的某些狀態(tài)值，比如設(shè)備或區(qū)域的維修掛牌。設(shè)定值應(yīng)在計算機切換或掉電恢復(fù)后依舊保持。

　?。?）連接和會話

　　考慮到增強信息技術(shù)安全對性能的影響，對于安全相關(guān)的關(guān)鍵控制，如設(shè)置/解除臨時限速，應(yīng)采用與普通數(shù)據(jù)傳輸不同的獨立的OPC UA安全通道和會話，并采用單獨的加密算法。

　?。?）并行發(fā)送

　　當安全相關(guān)命令有強烈的限時到達要求，且并行發(fā)送對底層信號系統(tǒng)無害時（即可以處理相同命令的兩次發(fā)送），則可以采用冗余雙網(wǎng)并行發(fā)送控制命令，以解決EN50129-2指出的消息延時這一基本消息錯誤。

5 結(jié)論

　　以行車調(diào)度為核心的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個牽涉到多種技術(shù)領(lǐng)域，由多種設(shè)備、多種硬軟件、多種設(shè)施組成的復(fù)雜系統(tǒng)，真正實施時還要面臨綜合監(jiān)控廠家和信號廠家密切協(xié)作的問題。在安全性、可靠性方面，最關(guān)鍵的是保證兩點：第一，不引起或不提供虛假輸出，包括向現(xiàn)場輸出和向用戶界面輸出；第二，當操作員想要執(zhí)行一個安全相關(guān)操作時，系統(tǒng)處于可用的狀態(tài)。當然，在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境又引入了信息技術(shù)安全的問題，對此采用的OPC UA協(xié)議標準幾乎是一個“開箱即用”的解決方案。

參考文獻

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