MES系統(tǒng)下工業(yè)大數(shù)據(jù)安全機(jī)制的研究

陳志濤+楊小東+朱義勇

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0164-03

Abstract： The big data is the various data generated in the industrial field，commonly including crossover data，information data and data of Internet of things， and has become the core power of the new industrial revolution.A typical feature of the new industrial revolution is digitalization， informatization and intelligence，and information technology has been highly integrated with manufacturing and production industry，therefore realizes the reform of the industry. China's environmental pressure continues to increase， when it is required for the transformation and development of domestic manufacturing industry to achieve value retention and new value manufacturing， the key elements must be industrial data as the strategic core assets.

0引言

最近10年的時間，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）不斷形成和完善并得到了飛速發(fā)展。MES是處于企業(yè)上層和底層的生產(chǎn)計(jì)劃及工業(yè)控制中間的，直接對應(yīng)車間層實(shí)時信息系統(tǒng)和制作管理技術(shù)。MES特別重視生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行與演變，其在管理層和底層控制之間起到了很好的連接作用，彌補(bǔ)了兩者之間的差距。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息化進(jìn)程的逐漸優(yōu)化改進(jìn)，尤其是信息化以及工業(yè)化之間的有機(jī)融合，同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟及廣泛應(yīng)用，對MES系統(tǒng)的應(yīng)用預(yù)計(jì)控制提出更加嚴(yán)格的要求。而且集團(tuán)式應(yīng)用的出現(xiàn)，則使得分布在各個地區(qū)的MES需要使用響應(yīng)度方法同互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接并且實(shí)現(xiàn)信息的共享，在此過程當(dāng)中實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理人員的隨時移動辦公，在MES系統(tǒng)這個大的背景下的工業(yè)大數(shù)據(jù)的安全問題不斷呈現(xiàn)出來[1]。

1工業(yè)大數(shù)據(jù)簡介

通常情況下，企業(yè)價值比較高的核心業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，都使用專門的信息系統(tǒng)來定制存儲。在上世紀(jì)六十年代之后，信息技術(shù)不斷用于工業(yè)領(lǐng)域，逐步形成了客戶關(guān)系管理（CRM）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、供應(yīng)鏈管理（SCM）和企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）等企業(yè)級的信息系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中積累的各種數(shù)據(jù)是工業(yè)方面?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，存在于企業(yè)的內(nèi)部，主要包括：客戶服務(wù)數(shù)據(jù)、供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)、生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的特征可基本描述如下：

1）強(qiáng)關(guān)聯(lián)。一方面是指可能會涉及到不同學(xué)科和專業(yè)的數(shù)據(jù)，在其產(chǎn)品生命周期的統(tǒng)一階段。另一方面指的是產(chǎn)品生命周期當(dāng)中的各個階段生成的數(shù)據(jù)需要建立銜接聯(lián)系，也就是將保障階段的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)制造階段進(jìn)行傳達(dá)，同時，將設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)單向發(fā)送給保障階段。

2）高通量。是指工業(yè)傳感器需要短時間寫入超大規(guī)模的數(shù)據(jù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的研究標(biāo)志是鑲?cè)胧絺鞲衅鞯闹悄芑ヂ?lián)產(chǎn)品，同時也是將來工業(yè)發(fā)展的導(dǎo)向，所以說，工業(yè)大數(shù)據(jù)的主體重點(diǎn)集中在機(jī)器數(shù)據(jù)上。例如風(fēng)機(jī)裝備，數(shù)據(jù)采樣頻率為50 Hz時，每臺機(jī)器平均125個測點(diǎn)，風(fēng)機(jī)則處于故障的狀態(tài)，某公司總共擁有超過一萬臺的風(fēng)機(jī)，瞬時數(shù)據(jù)的峰值超過一億數(shù)據(jù)點(diǎn)/s[2]。

2MES系統(tǒng)信息安全需求分析

通過建立健全自動化的生產(chǎn)基礎(chǔ)，企業(yè)就能夠完善生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，在此過程當(dāng)中的一個關(guān)鍵步驟，主要是MES系統(tǒng)對企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)管理鏈接。但是，一旦成功連接企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)以及外部的互聯(lián)網(wǎng)，就會面臨來自外部網(wǎng)絡(luò)的病毒入侵或者是黑客攻擊等方面的威脅。如果這些威脅侵入到工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，一方面會竊取系統(tǒng)當(dāng)中的安全信息，另一方面還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)崩潰。所以說，企業(yè)信息化發(fā)展中需充分注意的問題是保持MES系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需引入一定的風(fēng)險(xiǎn)評估并采取積極防范方法。研究可知，作為連接企業(yè)BPS和PCS之間的紐帶，MES系統(tǒng)信息的安全問題逐漸凸顯。MES系統(tǒng)的安全性是步驟繁瑣的技術(shù)工程，并致力于解決各種安全隱患和不安全因素[3]，從而獲得計(jì)算機(jī)各方面的性能高效與穩(wěn)定。

MES系統(tǒng)的信息安全包括如下設(shè)計(jì)內(nèi)容：

1）防止信息的危險(xiǎn)泄露，即確保信息在傳輸過程當(dāng)中免于竊取。

2）要確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)作過程當(dāng)中的安全性，并使其問題縮減到最小。

3）保證信息在有需求的時間、地點(diǎn)和方式下可以正常使用，并且要保證信息的完整、一致及正確性。

具體而言，MES系統(tǒng)的信息安全可細(xì)分為如下功能安全需求：

1）可追溯性要求。是指能夠隨時對系統(tǒng)的狀態(tài)以及用戶的各種行為進(jìn)行查詢，并且能夠深入到執(zhí)行步驟的細(xì)節(jié)內(nèi)容，不論合法用戶的各項(xiàng)操作或者是非法用戶的入侵行為，各種活動都要保留路徑記錄，并且要滿足其查詢和追溯性。若要確保MES系統(tǒng)的總體安全，就需要采用多方位的防護(hù)，整體上包含從基本技術(shù)到管理、從硬件到網(wǎng)絡(luò)等各個方面，但其應(yīng)用層是安全保護(hù)的弱點(diǎn)，本文再次設(shè)計(jì)MES系統(tǒng)的安全架構(gòu)，從而改進(jìn)系統(tǒng)的安全性能。

2）完整性需求?？梢源_保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、功能性，以及其正確運(yùn)行和資料的完整性，從而維護(hù)程序、資料免遭非法的破壞和改變。endprint

3）保密性需求。系統(tǒng)要求可以有效避免內(nèi)部信息的泄露，避免在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生泄露問題。

4）故障恢復(fù)需求。在系統(tǒng)發(fā)生硬件或者軟件問題時，能夠在短時間內(nèi)恢復(fù)正常并且繼續(xù)投入服務(wù)。

5）有效性需求。需要系統(tǒng)持續(xù)有效地提供系統(tǒng)資源，包括系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和功能，從而使合法用戶隨時可以利用系統(tǒng)以及資源來推進(jìn)展開業(yè)務(wù)。除此之外，系統(tǒng)還需要有效判斷并且合理抵制非法用戶的侵入以及破壞行為[4]。

3MES系統(tǒng)下工業(yè)大數(shù)據(jù)安全機(jī)制的設(shè)計(jì)

3.1身份驗(yàn)證與控制

為保證信息安全以及數(shù)據(jù)的完整，應(yīng)當(dāng)采取合法取證以及非法訪問原則，也就是說假設(shè)所有非法用戶訪問的請求是從客戶端進(jìn)行接收，這就要求首先驗(yàn)證訪問用戶的身份。除此之外，對于用戶請求的相關(guān)活動，即數(shù)據(jù)的各種操作，全部展開合法的取證，僅僅保留驗(yàn)證通過的相關(guān)請求，對這些請求調(diào)用智能變換處理，只有這樣才能夠保證數(shù)據(jù)安全。本架構(gòu)防護(hù)以及驗(yàn)證的過程當(dāng)中統(tǒng)共包括4個不同的層次，分別是：登錄驗(yàn)證層次、操作驗(yàn)證層次、訪問驗(yàn)證層次以及數(shù)據(jù)驗(yàn)證層次[5]。

3.2訪問控制策略

首先是基于角色的控制。MES系統(tǒng)在整理業(yè)務(wù)流程以及業(yè)務(wù)功能的前提下，依據(jù)多方利益的分析，可以抽象系統(tǒng)當(dāng)中的不同角色，每個角色借助于相應(yīng)的系統(tǒng)功能處理富含針對性的各項(xiàng)業(yè)務(wù)，需要承擔(dān)系統(tǒng)功能，構(gòu)建訪問控制的列表，總地來說，包括允許訪問的功能以及菜單。為了保證系統(tǒng)訪問正常，需要禁止某些類型的操作。因此，其設(shè)定目的是禁用控制表，例如禁用菜單以及操作列表等。其次是菜單矩陣還有功能矩陣。工業(yè)企業(yè)當(dāng)中，MES系統(tǒng)需要為業(yè)務(wù)流程提供配套的操作能力。為了滿足系統(tǒng)伸縮性這一領(lǐng)域的要求，就要求生成多級、動態(tài)的菜單包含的業(yè)務(wù)功能或子程序的控制輸出系統(tǒng)，最終即可研發(fā)得到操作界面。操作界面的組合需要針對各種業(yè)務(wù)，從而規(guī)范、并優(yōu)化建立了菜單矩陣以及功能矩陣。再次，是管理用戶權(quán)限。這就要求實(shí)現(xiàn)訪問控制，將角色賦予用戶[6]。用戶則擁有不同級別的訪問權(quán)限。在企業(yè)MES的流程應(yīng)用過程當(dāng)中，企業(yè)用戶都配有一個帳戶進(jìn)行訪問，這也是用戶的標(biāo)識。為了保證帳戶可靠與有效，用戶帳戶均要由系統(tǒng)管理器協(xié)約管理，并設(shè)計(jì)具體的分配。除此之外，系統(tǒng)的不同用戶都需要劃定工作職責(zé)。對MES系統(tǒng)而言，用戶可能擁有一個或者是多個不同的系統(tǒng)角色，權(quán)限控制借助于角色訪問來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)本著權(quán)限最小的原則，合理安排角色授權(quán)，設(shè)置禁止訪問列表來約束訪問權(quán)限，科學(xué)建立一個邊界安全訪問的系統(tǒng)。

3.3系統(tǒng)安全審計(jì)

MES系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中需要完善捕獲系統(tǒng)以及記錄系統(tǒng)，從而留存記錄各項(xiàng)關(guān)鍵動作，以及用戶操作連同發(fā)生的位置，同時，還記錄了不合法用戶的入侵的痕跡，留下可靠證據(jù)[7]。需要注意的是，用戶以及管理人員的各項(xiàng)操作是MES系統(tǒng)的重點(diǎn)監(jiān)視內(nèi)容。企業(yè)的審計(jì)人員能夠隨時隨地獲取指定部分記錄，并且執(zhí)行審計(jì)方案，一旦發(fā)現(xiàn)違反安全規(guī)定的相關(guān)活動，就需要調(diào)研推理實(shí)施后果，進(jìn)而采取有針對性的安保措施。

3.4安全運(yùn)行管理

大部分的MES系統(tǒng)是由管理員來進(jìn)行管理。雖然管理比較簡單，不過安全風(fēng)險(xiǎn)也比較明顯。如果管理員帳戶遭到破壞，其它的安全措施將隨即失效。因此應(yīng)當(dāng)劃分系統(tǒng)的權(quán)限從而實(shí)現(xiàn)相互限制，避免權(quán)限過度集中。研究中，設(shè)計(jì)劃分的方法如下。

首先需要設(shè)置用戶管理員，這一管理員負(fù)責(zé)安排用戶帳號并且撤銷用戶，同時分配用戶角色，也能夠重置用戶的密碼[8]。其次是安全管理員，這一管理員主要維護(hù)系統(tǒng)的功能以及菜單，掌握角色控制列表。用戶管理員以及安全管理員之間彼此獨(dú)立，而且互相監(jiān)督。當(dāng)用戶權(quán)限協(xié)調(diào)的情況下才可以進(jìn)行分配，并且實(shí)現(xiàn)分級管理，根據(jù)工廠、車間等組織結(jié)構(gòu)、或是根據(jù)不同的業(yè)務(wù)范圍，來劃分成具體的層次。管理員只可以在權(quán)限范圍當(dāng)中確立操作模式。如此一來就形成了差異化管理和集中管理的技術(shù)模型。工業(yè)企業(yè)就能根據(jù)自身管理機(jī)制以及規(guī)模來引領(lǐng)并提升整體應(yīng)用設(shè)計(jì)。

3.5Web安全策略

應(yīng)當(dāng)根據(jù)MES系統(tǒng)常見的網(wǎng)絡(luò)入侵威脅，例如SQL注入、cookie破壞以及緩沖區(qū)溢出等，來設(shè)置延拓于事前以至事后的防御機(jī)制。事前需要盡可能在短時間內(nèi)判斷風(fēng)險(xiǎn)，同時采取相應(yīng)的修復(fù)措施；事中需要主動防御進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，早期發(fā)現(xiàn)，早期設(shè)防，使風(fēng)險(xiǎn)和損失降到最低。此框架為Web層面的安全策略，能夠定期檢測Web當(dāng)中存在的漏洞，監(jiān)控拒絕服務(wù)攻擊等，幫助企業(yè)打造安全監(jiān)控機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，工業(yè)企業(yè)需要掌握MES系統(tǒng)的安全狀況，從而最大限度規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

3.6會話安全策略

HTTP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議屬于無狀態(tài)協(xié)議，這一協(xié)議無法維護(hù)兩個不同事務(wù)的連接，MES系統(tǒng)當(dāng)中的程序涉及到用戶的交互操作，同時會對交互操作伴隨全面詳情記錄，所以需要維持會話狀態(tài)。系統(tǒng)的會話狀態(tài)要求記錄用戶信息在客戶端中，或記錄在服務(wù)器端，但還需要用戶請求以及服務(wù)器程序的對話傳輸ID。這些信息都容易成為黑客攻擊的對象，一旦被盜將會發(fā)生會話冒用問題，進(jìn)一步發(fā)展成為會話劫持，從而超出權(quán)限進(jìn)行訪問并且刪除數(shù)據(jù)[10]。為了有效避免這類攻擊，一方面需要使用加密措施來強(qiáng)化用戶以及ID等環(huán)節(jié)；另一方面，開發(fā)監(jiān)控會話狀態(tài)以及異常警報(bào)的策略。相應(yīng)地，會話鎖定是指提供會話鎖定以及解鎖的功能，同時可以支持建立交互會話。在會話不再活動的時候，鎖定會話，甚至是結(jié)束會話。如果用戶靜止的時間比較長，鎖定會話可研究給出如下方法：

1） 刪除或涂抹在顯示設(shè)備上的，使之設(shè)置為不能閱讀的內(nèi)容。

2） 對全部用戶數(shù)據(jù)操作的活動實(shí)施解鎖。

3） 識別解鎖前，需要核實(shí)用戶的身份。

而異常報(bào)警是指在會話的過程當(dāng)中監(jiān)視用戶操作相關(guān)行為，保護(hù)異常行為，并生成報(bào)警，例如刪除以及修改數(shù)據(jù)的操作，或者是同一用戶在不同位置請求會話等。endprint

4結(jié)束語

工業(yè)大數(shù)據(jù)可以說是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)智能化的可靠途徑，是改進(jìn)競爭力以及生產(chǎn)率的核心因素。中國不僅是一個制造商，更是一個使用者，工業(yè)大數(shù)據(jù)的主體即是在裝備應(yīng)用過程當(dāng)中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為智能制造的發(fā)展提供重要的戰(zhàn)略資源。在此過程當(dāng)中，工業(yè)數(shù)據(jù)攸關(guān)國家安全以及主權(quán)，對于國民經(jīng)濟(jì)和人民生活具有密切相關(guān)的基礎(chǔ)推動作用?？偠灾?，工業(yè)大數(shù)據(jù)是一個持續(xù)發(fā)展中的學(xué)科，在模型理論、內(nèi)涵擴(kuò)展、事實(shí)途徑以及具體的實(shí)施策略方面均存在廣闊的研發(fā)創(chuàng)新空間。這就要求研究付諸實(shí)踐的同時要緊密結(jié)合中國的國情，加大投資并且探索發(fā)展工業(yè)大數(shù)據(jù)的合理路徑，同時提升工業(yè)大數(shù)據(jù)的安全防護(hù)力度，從而順利實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。

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