文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190818
中文引用格式: 陳宇翔,郝堯,趙越,等. 面向制造大數(shù)據(jù)的安全存儲交換技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(12):38-41,46.
英文引用格式: Chen Yuxiang,Hao Yao,Zhao Yue,et al. Secure storage and exchange technology for manufacturing big data[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(12):38-41,46.
0 引言
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)孤立封閉的制造環(huán)境,為不同實體間建立信任關(guān)系,并將網(wǎng)絡(luò)的連接對象從人延伸到機(jī)器設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品和工業(yè)服務(wù)。但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為生產(chǎn)生活帶來便利的同時,由于其數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、高通量的特點,也為跨行業(yè)、跨企業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換和共享帶來了風(fēng)險[1-2]。安全數(shù)據(jù)共享交換技術(shù)能為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分布式安全存儲、流轉(zhuǎn)控制、權(quán)益保護(hù)等提供重要支持,是生產(chǎn)制造安全的重要組成部分。因此各國都在尋求技術(shù)突破,比如:德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略,美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟等[3-4]。
近幾年來,國家陸續(xù)出臺了“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等產(chǎn)業(yè)政策,以推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級?!蛾P(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+經(jīng)濟(jì)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃(2018—2020年)》、《中國制造2025》等國家政策規(guī)劃提出“創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造支撐平臺,探索引領(lǐng)智能制造發(fā)展的制造與服務(wù)新模式”,為技術(shù)發(fā)展提供支持。
1 國內(nèi)外發(fā)展分析及安全存儲交換模式
1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)數(shù)據(jù)的共享交換促進(jìn)了多元制造數(shù)據(jù)的高效協(xié)同,提高了產(chǎn)業(yè)資源整合能力,故成為各國關(guān)注的重點。近年大數(shù)據(jù)快速發(fā)展并不斷向傳統(tǒng)制造業(yè)滲透,將設(shè)計、制造、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)相關(guān)聯(lián),打破產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)孤島,優(yōu)化生產(chǎn)要素也大幅降低了成本。
德國Fraunhofer智能分析和信息系統(tǒng)研究所聯(lián)合30家重點國際企業(yè)在德國工業(yè)4.0中領(lǐng)導(dǎo)了工業(yè)數(shù)據(jù)空間項目(Industry Data Space,IDS),關(guān)注跨域數(shù)據(jù)代理、交換及應(yīng)用,將分散孤立的工業(yè)數(shù)據(jù)(比如來自工廠、物流公司、政府部門的數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為一個可信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)空間整體,促進(jìn)數(shù)據(jù)開放和共享。相比之下,中國的數(shù)據(jù)共享交換理念顯得滯后[5-7],國內(nèi)環(huán)境多期望由政府主導(dǎo)搭建中心式數(shù)據(jù)共享交換平臺,主流公司參與實現(xiàn)共享,但遲遲未能落地,而德國Fraunhofer則聚焦于用技術(shù)實現(xiàn)誠信體系。以中國的三大運(yùn)營商為例,雖然積累平臺建設(shè)經(jīng)驗并采取了對外開放措施,但都過于以自我為中心,即只允許外部數(shù)據(jù)進(jìn)入而限制自己平臺的數(shù)據(jù)向外流通,且這種單向流通僅限于點對點的方式,缺乏全局、去中心的、多點、經(jīng)過認(rèn)證的數(shù)據(jù)共享交換方式。
在以上數(shù)據(jù)共享交換的迫切需求下,航天云網(wǎng)、石化盈科、海爾、富士康等都構(gòu)建了面向數(shù)據(jù)共享交換需求的解決方案。以航天云網(wǎng)為例[8],其工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺將基礎(chǔ)設(shè)施和解決方案以云方式提供給工業(yè)用戶,涉及基礎(chǔ)算法、數(shù)據(jù)管理、開放環(huán)境等多個層面,實現(xiàn)了不同部門協(xié)同研發(fā)設(shè)計,將研發(fā)周期大大縮短并提高了資源利用率。沈陽機(jī)床通過工業(yè)數(shù)據(jù)平臺向公司提供機(jī)床租賃服務(wù),按照制造能力付費(fèi),有效降低用戶資金門檻,釋放產(chǎn)能。生意幫社群的協(xié)同制造平臺讓62家中小企業(yè)盤活了閑置產(chǎn)能,獲得470萬額外車牌生產(chǎn)訂單,也將交付周期縮短為原來的1/5以下。至天公司I-Martix平臺對企業(yè)信用數(shù)據(jù)和生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實現(xiàn)精準(zhǔn)放貸等。
1.2 安全存儲交換模式
制造數(shù)據(jù)安全存儲交換模式是指對存儲在云端的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行密態(tài)存儲,使得誠實但有好奇心的存儲服務(wù)提供方無法獲得數(shù)據(jù)擁有者的任何隱私。這種安全存儲模式不面向特定對象,任何具有敏感數(shù)據(jù)存儲需求的用戶都可選擇該安全存儲模式,從而掌握用戶數(shù)據(jù)的主動權(quán)。具體存儲交換模式如圖1所示。步驟如下:
(1)安全存儲服務(wù)獲?。浩髽I(yè)用戶選擇所需存儲服務(wù)的安全等級,獲得相應(yīng)密鑰管理系統(tǒng)的授權(quán)密鑰(可搜索加密密鑰可實現(xiàn)保密和主動授權(quán)),用于對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)加密;其次企業(yè)用戶根據(jù)目標(biāo)用戶(數(shù)據(jù)使用方)需求設(shè)置相應(yīng)訪問控制策略用于被動授權(quán)。
(2)安全存儲及授權(quán):企業(yè)用戶(客戶端2)使用密鑰對產(chǎn)生的敏感數(shù)據(jù)加密并上傳云端,具有好奇心的存儲服務(wù)提供方?jīng)]有密鑰無法獲得任何用戶信息。
授權(quán)時,數(shù)據(jù)使用方(客戶端1)根據(jù)預(yù)設(shè)訪問控制策略驗證權(quán)限,實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限(安全級別較低的被動授權(quán));再向數(shù)據(jù)擁有方申請可搜索加密密鑰和解密密鑰(主動授權(quán)),對云端數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞的密文檢索,獲得所需密文數(shù)據(jù)后解密。
(3)數(shù)據(jù)更新及刪除:企業(yè)用戶定期生產(chǎn)的數(shù)據(jù)存在多用戶分享過度、時間過長導(dǎo)致密鑰泄露問題,也存在數(shù)據(jù)過期,需要刪除數(shù)據(jù),節(jié)約存儲開銷的需求。因此需要刪除及更新數(shù)據(jù)。企業(yè)用戶上傳數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞密文,云端執(zhí)行密文檢索并刪除數(shù)據(jù)。
整個敏感制造數(shù)據(jù)的存儲交換過程均在密文狀態(tài)下處理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)擁有者對自己數(shù)據(jù)的完全掌控。
2 面向制造大數(shù)據(jù)的安全存儲交換關(guān)鍵技術(shù)
制造大數(shù)據(jù)平臺為用戶提供數(shù)據(jù)存儲、使用、協(xié)同服務(wù)。用戶數(shù)據(jù)在流轉(zhuǎn)過程中存在被非法訪問和泄露風(fēng)險[9-11]。類似三大運(yùn)營商過于保守的做法,又不利于數(shù)據(jù)流通。一方面,制造大數(shù)據(jù)環(huán)境下業(yè)務(wù)規(guī)模和復(fù)雜度提升帶來了數(shù)據(jù)泄露、非法授權(quán)使用等安全問題,迫切需要有效的安全存儲關(guān)鍵技術(shù)和權(quán)限策略描述規(guī)范對云端存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行有效保護(hù)和合理授權(quán),因此本文研究可搜索加密和屬性基加密的安全共享交換方法。另一方面,數(shù)據(jù)在共享交換時的進(jìn)程面臨溢出攻擊、惡意代碼竊取數(shù)據(jù)等風(fēng)險。因此需要對進(jìn)程本身及其環(huán)境進(jìn)行可信度量。
制造數(shù)據(jù)的存儲交換模型如圖2所示,數(shù)據(jù)所有者將產(chǎn)生的敏感數(shù)據(jù)以密態(tài)存儲于云端。通過安全信道傳輸檢索密鑰和加密密鑰給共享用戶,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的主動授權(quán);對普通明文數(shù)據(jù)制定基于屬性的訪問控制策略,對目標(biāo)屬性群體實現(xiàn)被動授權(quán),促進(jìn)數(shù)據(jù)流通。
2.1 可搜索加密技術(shù)
隨著云存儲云計算的快速發(fā)展,用戶逐漸將本地數(shù)據(jù)存儲到云端服務(wù)器,以節(jié)約本地存儲開銷。然而,用戶數(shù)據(jù)由于脫離本地控制而存儲在云端,具有被泄露、非法使用的風(fēng)險,因此需要密碼對云端數(shù)據(jù)加密存儲[12]。與此同時,海量數(shù)據(jù)單純加密存儲面臨著以下問題,如果將數(shù)據(jù)下載到用戶端再解密搜索,會導(dǎo)致下載時帶寬資源消耗和解密時計算開銷過大,進(jìn)而導(dǎo)致搜索效率低下;如果將加密數(shù)據(jù)在服務(wù)端解密后搜索,則服務(wù)端具有用戶密鑰,數(shù)據(jù)解密也使得安全性降低,以上問題使得簡單的加密存儲難以適應(yīng)生產(chǎn)制造的需求。可搜索加密技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生[13]。
可搜索加密技術(shù)原理如圖3所示。數(shù)據(jù)生產(chǎn)者通過大數(shù)據(jù)存儲平臺發(fā)布經(jīng)過可搜索加密技術(shù)處理過的生產(chǎn)制造數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲在大數(shù)據(jù)平臺。該技術(shù)允許合法用戶具有檢索關(guān)鍵字能力,提供密文檢索方法,讓服務(wù)器在無法知曉用戶數(shù)據(jù)明文的情況下,根據(jù)請求返回相應(yīng)密文文件,既能保護(hù)用戶隱私也能節(jié)約帶寬和計算資源[14-15]。
2.2 訪問控制技術(shù)(屬性基加密)
相比可搜索加密主動授權(quán)的特點,合理的訪問控制策略則能為更廣泛的工業(yè)數(shù)據(jù)安全交換和共享提供支撐[16],傳統(tǒng)的訪問控制技術(shù)主要分為DAC(自主訪問控制)、MAC(強(qiáng)制訪問控制)和RBAC基于角色的訪問控制。但這些訪問控制技術(shù)都基于固定標(biāo)識,用于封閉集中的制造環(huán)境,難以應(yīng)用于多源異構(gòu)的大數(shù)據(jù)環(huán)境,不利于數(shù)據(jù)的安全共享和交換。相比之下,基于屬性的訪問控制(Attribute Based Access Control,ABAC)面向群體而非封閉環(huán)境的單個對象,以屬性作為公鑰,并將私鑰、密文與屬性關(guān)聯(lián),為解決制造大數(shù)據(jù)的存儲交換提供了重要手段[17]。
屬性基加密[18-19](Attribution Based Encryption,ABE)將訪問控制與身份加密IBE結(jié)合,其中,訪問控制策略源于秘密共享門限方法(t,n),即只有用戶屬性與密文屬性的交集大于等于門限t時,用戶能夠解密密文。ABE以屬性為公鑰,通過公鑰生成相應(yīng)私鑰,通過屬性集合生成密文,對滿足預(yù)設(shè)條件的用戶鑒權(quán)。使用門限方法,數(shù)據(jù)擁有者可將解密所需條件通過密碼學(xué)表達(dá),目前ABE已能實現(xiàn)較為復(fù)雜的細(xì)粒度控制(涉及范圍如圖4所示),其技術(shù)拓展主要有與門訪問結(jié)構(gòu)、樹訪問結(jié)構(gòu)、線性秘密共享等。在數(shù)據(jù)訪問控制的效果上,可以實現(xiàn)與、或、非操作,提供數(shù)據(jù)擁有者細(xì)粒度的屬性基加密策略。
ABE從上分為中心式和非中心兩種授權(quán)機(jī)構(gòu)[20],前者信任關(guān)系簡單,但工作負(fù)載大;后者抗單點故障,冗余度高,但機(jī)構(gòu)間需秘密共享,密鑰協(xié)商復(fù)雜,也增加了通信和計算開銷。除此之外,現(xiàn)實應(yīng)用中部門、企業(yè)通常需要層次分明的分布式管理方式,需要采用聯(lián)盟唯一標(biāo)識GID(依賴管理中心)與分布式授權(quán)結(jié)合的方式,這類混合結(jié)構(gòu)既回避了中心式性能瓶頸和可擴(kuò)展問題,也回避了分布式拓?fù)鋸?fù)雜,難以管理的問題,但依然存在秘密共享困難等問題[21-23]。除此之外,基于區(qū)塊鏈的分布式訪問控制引出了新型無中心基于共識的信任關(guān)系模型,也有助于推動混合式模型的發(fā)展[24-26]。隨著更多訪問控制、屬性加密的應(yīng)用落地,混合結(jié)構(gòu)的ABE將為細(xì)粒度的訪問控制需求提供支撐,促進(jìn)數(shù)據(jù)的安全交換。
2.3 交換進(jìn)程及度量方法
在存儲交換的代碼層面,由于進(jìn)程序列的出現(xiàn)具有模糊性、概率性,對交換進(jìn)程進(jìn)行可信度量可以為監(jiān)管實時數(shù)據(jù)提供支持,規(guī)范數(shù)據(jù)交換行為。此外,進(jìn)程執(zhí)行環(huán)境依賴軟件包和系統(tǒng)內(nèi)核,執(zhí)行環(huán)境中的安全漏洞存在被利用的可能,導(dǎo)致數(shù)據(jù)安全交換被破壞,因此合理的可信度量機(jī)制有助于保障數(shù)據(jù)安全交換。由于進(jìn)程在正常運(yùn)行時具有規(guī)律性和穩(wěn)定性,但在被攻擊時,原有的規(guī)律性和穩(wěn)定性被破壞,會出現(xiàn)異常的短序列[27]。基于進(jìn)程的以上特點,人們使用定長序列描繪進(jìn)程正常運(yùn)行時數(shù)據(jù)庫各類別行為序列的出現(xiàn)概率,以鑒別異常行為。
進(jìn)程本身運(yùn)行時的可信度量包含代碼、堆、棧等方面。比如,在返回地址前設(shè)置檢測字段,設(shè)置影子堆棧[28];在可執(zhí)行文件寫入監(jiān)管代碼監(jiān)管程序動態(tài)事件,監(jiān)控返回地址檢測堆棧溢出攻擊[29];使用可信計算、系統(tǒng)調(diào)用分析等技術(shù)對進(jìn)程動態(tài)運(yùn)行中的完整性進(jìn)行度量等[30]。但進(jìn)程本身的完整性度量,解決方法主要針對靜態(tài)代碼段,對動態(tài)運(yùn)行中的堆棧部分缺乏有效衡量。對以上可信度量方法歸納,主要包括:變長序列行為模式、變長時間窗提取方法、基于馬爾科夫鏈描述進(jìn)程行為、數(shù)據(jù)挖掘的評估方法、基于熵描繪不確定性等[31-34]。此外,運(yùn)行環(huán)境的可信度量方面,主要包括:基于進(jìn)程相關(guān)文件完整性度量方法,分級分類的軟件包完整性標(biāo)識方法等[35-36]。但以上方法對進(jìn)程執(zhí)行時的內(nèi)核度量、間接依賴軟件包度量方面的研究仍有待深入。
3 結(jié)論
面向制造大數(shù)據(jù)的安全存儲與交換技術(shù)主要用于解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下跨行業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)存儲和交換問題,保護(hù)用戶云端數(shù)據(jù)的存儲和共享安全,防止提供存儲服務(wù)的具有好奇心的第三方侵犯用戶數(shù)據(jù),包括非法授權(quán)使用、數(shù)據(jù)泄露等。通過可搜索加密技術(shù)實現(xiàn)用戶主動授權(quán)第三方使用數(shù)據(jù),通過屬性基加密對數(shù)據(jù)申請方進(jìn)行鑒權(quán),實現(xiàn)細(xì)粒度的訪問控制策略,打破數(shù)據(jù)孤島,有助于數(shù)據(jù)流通??尚哦攘拷粨Q進(jìn)程則能為數(shù)據(jù)交換時數(shù)據(jù)所有方的監(jiān)管需求提供支持。因此研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下制造大數(shù)據(jù)的密態(tài)安全存儲、密態(tài)高效檢索、安全共享、訪問控制、實時監(jiān)管具有重要意義。
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作者信息:
陳宇翔1,2,郝 堯1,2,趙 越1,2,成 林3,吳開均1,2,廖思捷1
(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都610041;
2.保密通信重點實驗室,四川 成都610041;3.中國信息安全評測中心,北京100085)