基于CP-ABE的工業(yè)控制系統(tǒng)加密傳輸方案

趙東東，石樂(lè)義,，謝云飛

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

工業(yè)控制系統(tǒng)(Industrial Control System，ICS)是由計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)電氣規(guī)則組合而成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用到電網(wǎng)、石油、交通和智能制造等行業(yè)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的領(lǐng)域和行業(yè)都與工業(yè)控制系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，數(shù)字傳輸和云服務(wù)的增長(zhǎng)，原本比較封閉的工控系統(tǒng)開(kāi)始接入互聯(lián)網(wǎng)，使用云計(jì)算和云存儲(chǔ)，帶來(lái)便利的同時(shí)也造成了很多工業(yè)領(lǐng)域的安全事故[1]。因此，國(guó)內(nèi)外也對(duì)此進(jìn)行了各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)估模型的制定，來(lái)保障工業(yè)控制系統(tǒng)的安全[2]。

在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電氣參數(shù)和配置參數(shù)等數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)以明文的形式進(jìn)行傳輸，非常容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)[3]，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)ICS信息系統(tǒng)提出了很多安全策略、安全措施和安全認(rèn)證等方面的工作。加密是為數(shù)字通信提供安全性和保密性的基本技術(shù)之一。Halas等人[4]在PLC(Programmable Logic Controller)設(shè)備中對(duì)加密算法進(jìn)行了性能測(cè)試，對(duì)比模擬性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard，AES)能夠符合工控系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性，但是對(duì)稱(chēng)加密算法AES的密鑰如何分發(fā)到加密端和解密端仍然是個(gè)問(wèn)題。Li等人[5]提出一種將加密控制器與入侵檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方案，提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性，但是造成了PLC計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)較大的問(wèn)題，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。李等人[6]在PLC工控環(huán)境下利用同態(tài)計(jì)算和保序加密的方法對(duì)控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密，缺點(diǎn)是計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)較大。

針對(duì)保護(hù)工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性問(wèn)題，Sahai等人[7]根據(jù)每個(gè)人都具有的生物特征，且個(gè)體的生物特征無(wú)需保密，提出使用生物特征作為身份標(biāo)識(shí)屬性進(jìn)行加密，并對(duì)生物特征的測(cè)量具有容錯(cuò)性，缺點(diǎn)是要保證生物特征不能被模仿的前提下完成，且方案精度受到生物特征采集設(shè)備和技術(shù)質(zhì)量的影響。Goyal等人[8]提出基于密鑰策略的屬性加密(Key-Policy Attribute-Based Encryption，KP-ABE)和基于密文策略的屬性加密(Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption，CP-ABE)，有效解決了不同用戶(hù)根據(jù)不同訪(fǎng)問(wèn)策略訪(fǎng)問(wèn)不同數(shù)據(jù)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒度訪(fǎng)問(wèn)控制，能夠支持可實(shí)現(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是對(duì)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要花費(fèi)很大的時(shí)間，方案的前期工作較多。隨后，Leoko等人[9]設(shè)計(jì)了密鑰和密文的半功能性組件，并提出一次性ABE系統(tǒng)可轉(zhuǎn)換為多次使用的基于屬性的加密系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于屬性加密的完全安全性，但是在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生額外的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，影響了系統(tǒng)的整體效率。熊等人[10]根據(jù)用戶(hù)隱私數(shù)據(jù)的程度劃分為不同的等級(jí)進(jìn)行加密，封裝成自毀內(nèi)容后再發(fā)送到存儲(chǔ)服務(wù)商，數(shù)據(jù)達(dá)到有效期之后無(wú)需額外的設(shè)備就能進(jìn)行自毀，有效保護(hù)了用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全性，但是不適用于云環(huán)境下的大規(guī)模用戶(hù)的使用。關(guān)等人[11]提出使用多授權(quán)中心解決單授權(quán)中心不可信或遭受到攻擊密鑰泄露的問(wèn)題，并改善了屬性分組算法，降低了重加密屬性的數(shù)量，缺點(diǎn)是多授權(quán)中心之間的訪(fǎng)問(wèn)控制策略較復(fù)雜，且需要提前規(guī)劃各授權(quán)中心的協(xié)調(diào)配合工作。陳等人[12]針對(duì)私鑰泄露問(wèn)題，結(jié)合密鑰隔離機(jī)制在屬性加密下提出并行密鑰隔離機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)臨時(shí)密鑰的頻繁更新，以抵抗密鑰泄露的風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)是臨時(shí)密鑰的更新需要用戶(hù)與協(xié)助器之間頻繁的通信，系統(tǒng)整體吞吐量受限于雙方的通信效率。王等人[13]提出了在直接模式下，支持細(xì)粒度屬性撤銷(xiāo)的屬性加密方案，提高了系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)屬性撤銷(xiāo)的效率，但是方案公鑰的大小與用戶(hù)數(shù)量成正相關(guān)，容易造成公鑰參數(shù)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。閆等人[14]結(jié)合數(shù)據(jù)外包和密鑰加密密鑰，提出在間接模式下支持及時(shí)撤銷(xiāo)的屬性加密方案，能夠?qū)τ脩?hù)的屬性撤銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的控制，但是在秘鑰更新過(guò)程中計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)較大。Ruj等人[15]采用數(shù)據(jù)聚合和訪(fǎng)問(wèn)控制權(quán)限進(jìn)行屬性加密，使用同態(tài)加密算法對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并對(duì)訪(fǎng)問(wèn)控制權(quán)限使用屬性加密，保障了電網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全，缺點(diǎn)是采用了同態(tài)加密算法，計(jì)算效率較低，對(duì)存儲(chǔ)的需求較高。Chaudhary等人[16]提出了SDN通信模型來(lái)保護(hù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)插畫(huà)師能的數(shù)據(jù)，并采用屬性加密數(shù)據(jù)，對(duì)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限進(jìn)行細(xì)粒度控制，有效保護(hù)了工業(yè)數(shù)據(jù)的通信安全。

上述CP-ABE方案中，都是通過(guò)線(xiàn)性秘密共享方案(Linear Secret-Sharing Scheme，LSSS)對(duì)單調(diào)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，此種加密方式會(huì)隨著LSSS矩陣的變化而變化，當(dāng)矩陣變大時(shí)，解密開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)隨著增加，因此此種方式不適合矩陣較大的情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作。因此，Doshi等人[17]結(jié)合基于屬性的加密方案，提出一種密文長(zhǎng)度與用戶(hù)的屬性數(shù)量無(wú)關(guān)的密文定長(zhǎng)方案，在用戶(hù)屬性數(shù)量較大的場(chǎng)景下具有明顯的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是僅限于密文中的屬性必須是密鑰中屬性的子集，對(duì)于其他的情況無(wú)法實(shí)現(xiàn)密文定長(zhǎng)的功能。王等人[18]使用最小授權(quán)子集表示單調(diào)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)并對(duì)原始明文進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)了解密成本為常數(shù)的功能，加快了解密數(shù)據(jù)的速度，但是最小授權(quán)子集的構(gòu)造較復(fù)雜，需要提前準(zhǔn)備好最小授權(quán)子集才能開(kāi)始進(jìn)行加密工作。Cheng等人[19]提出在非單調(diào)與門(mén)訪(fǎng)問(wèn)策略下，能夠?qū)崿F(xiàn)密文大小固定，計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)為常數(shù)的屬性加密方案，缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍僅限于與門(mén)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加密。Hohenberger等人[20]在屬性數(shù)量沒(méi)有限制的背景下，提出密鑰策略屬性加密方案，在解密階段只需要固定的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，在很大程度上提高了解密的速度。Rao等人[21]提出多授權(quán)中心的分散框架，利用最小授權(quán)子集進(jìn)行加密，解密階段的雙線(xiàn)性對(duì)數(shù)量固定，在保證了授權(quán)中心去中心化的同時(shí)，提高了解密速度，但是密文大小與最小授權(quán)子集相關(guān)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)密文定長(zhǎng)的功能。

除了將密文定長(zhǎng)降低解密開(kāi)銷(xiāo)外，還可以采用計(jì)算外包的方式。Qin等人[22]提出一種在解密階段通過(guò)外包服務(wù)器進(jìn)行解密的方案，并支持驗(yàn)證，解密速度遠(yuǎn)高于用戶(hù)端的解密，大大提高了解密的效率，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)密文的定長(zhǎng)，在密文較大的情況下，云服務(wù)器端計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)依然很大。Yang等人[23]提出一種使用云服務(wù)器應(yīng)用到醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)中，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲(chǔ)和計(jì)算效率，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)密文定長(zhǎng)的功能。

該文利用對(duì)稱(chēng)加密算法AES和非對(duì)稱(chēng)加密算法CP-ABE，設(shè)計(jì)了一種在工業(yè)控制系統(tǒng)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)加密傳輸方案。在工控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端，采集好電氣參數(shù)和配置參數(shù)后，由工控系統(tǒng)用AES算法將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，然后再采用CP-ABE對(duì)AES的密鑰進(jìn)行加密。在文獻(xiàn)[17]算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)CP-ABE算法的密文定長(zhǎng)，并通過(guò)改進(jìn)算法可以實(shí)現(xiàn)解密外包，同時(shí)用戶(hù)端通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證碼的形式驗(yàn)證云服務(wù)器解密的結(jié)果，減小了密文的存儲(chǔ)空間，降低了用戶(hù)在解密數(shù)據(jù)階段的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，提高了用戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的效率，并基于DBDH假設(shè)做出了安全性分析。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 雙線(xiàn)性群

設(shè)G1是素?cái)?shù)階為q的乘法循環(huán)群，g是G1的生成元，雙線(xiàn)性映射e:G1×G1→G2，?m,n∈G1，選取?a,b∈ZP(ZP為素?cái)?shù)p階循環(huán)群)，滿(mǎn)足如下：

(1)雙線(xiàn)性：e(ma,nb)=e(m,n)ab；

(2)非退化性：e(g,g)≠1；

(3)可計(jì)算性：?u,v∈G1，能夠計(jì)算出e(u,v)。

1.2 系統(tǒng)模型

該文所提出的基于CP-ABE的工業(yè)控制系統(tǒng)加密傳輸方案如圖1所示。系統(tǒng)框架由密鑰授權(quán)中心、工控系統(tǒng)、訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)、云服務(wù)器、云數(shù)據(jù)庫(kù)組成，下面對(duì)部署結(jié)構(gòu)中的各個(gè)組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)密鑰授權(quán)中心(Key Generation Center，KGC)：負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)主密鑰對(duì)MPK、MSK，計(jì)算系統(tǒng)的公共參數(shù)和用戶(hù)的屬性私鑰SKL。

(2)工控系統(tǒng)(Industrial Control System，ICS):負(fù)責(zé)檢測(cè)和收集工業(yè)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行加密，然后將所有加密的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器進(jìn)行打包處理，等待上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)用戶(hù)(User)：屬于工業(yè)控制系統(tǒng)的操作員工或者上層管理者，需要對(duì)工控系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)查看。在通過(guò)系統(tǒng)的注冊(cè)認(rèn)證后，可以通過(guò)向云服務(wù)器申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)工業(yè)數(shù)據(jù)，并將自己的屬性私鑰SKL發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行解密外包。

(4)云服務(wù)器(Elastic Compute Service，ECS):負(fù)責(zé)將ICS發(fā)來(lái)的密文和密鑰進(jìn)行打包并上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)，也負(fù)責(zé)審核用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求并完成密文文件的解密外包工作，降低用戶(hù)的解密開(kāi)銷(xiāo)。

(5)云數(shù)據(jù)庫(kù)(Cloud DataBase，CDB):主要用于存儲(chǔ)加密過(guò)的工業(yè)數(shù)據(jù)和密鑰文件。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 CP-ABE加密AES密鑰的訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[17]的算法基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)出用CP-ABE算法加密AES密鑰的方案，使得AES密鑰的密文長(zhǎng)度不會(huì)隨著屬性的增加而變長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了密文定長(zhǎng)的功能，并通過(guò)改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)了解密外包，用戶(hù)可以通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證碼的方式驗(yàn)證解密結(jié)果。該訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)利用多值與門(mén)進(jìn)行表示，設(shè)U={att1,att2,…,attn}為屬性集合，Si={vi,1,vi,2,…,vi,ni}為屬性可能值的集合，ni為屬性i可能取值的個(gè)數(shù)。L=[L1,L2,…,Lni](Li∈Si)表示訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)的屬性列表，W=[W1,W2,…,Wn](Wi?Si)為訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)。

2.2 CP-ABE加密AES密鑰方案構(gòu)造

本節(jié)給出了密文定長(zhǎng)且解密外包的CP-ABE工業(yè)控制系統(tǒng)加密傳輸方案的具體構(gòu)造。

(1)Setup(1k)：首先由授權(quán)中心KGC計(jì)算系統(tǒng)的公開(kāi)參數(shù)(G1,GT,e,g,u,h,y,ti,j)。Gi表示階為i的群G下的子群，其中G1、GT為兩個(gè)階為素?cái)?shù)p的雙線(xiàn)性群，e:G1×G1→GT為雙線(xiàn)性映射，g,u∈G1表示為G1的生成元，h為哈希運(yùn)算，算法隨機(jī)選擇參數(shù)y∈RZP，ti,j∈RZP(i∈[1,n],j∈[1,ni])，然后由KGC計(jì)算Y=e(g,h)y，Ti,j=gti,j(i∈[1,n],j∈[1,ni])，最后得到系統(tǒng)主密鑰對(duì)(MPK,MSK)：

MPK=(e,g,h,Y,Ti,j(i∈[1,n],j∈[1,ni]))

MSK=(y,ti,j(i∈[1,n],j∈[1,ni]))

(2)KeyGen(MSK,L):用戶(hù)(ID)向授權(quán)中心(KGC)申請(qǐng)屬性私鑰，KGC隨機(jī)選擇參數(shù)r∈RZP，輸入系統(tǒng)的主私鑰MSK和屬性列表L，由KGC計(jì)算得出用戶(hù)的屬性私鑰SKL:

SKL={sk1=gti,jh(ID)ti,j|νi,j∈L,

(3)Encrypt(M,MPK,W,V):數(shù)據(jù)加密由工控系統(tǒng)(ICS)完成，輸入待加密AES的密鑰M(M∈ZP)，主公鑰MPK和用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)W，選取一個(gè)隨機(jī)值s∈RZP，并計(jì)算本次驗(yàn)證碼V，得到密鑰的密文CT:

CT={C1,C2,C3,W,V}

(4)Decrypt(MPK,CT,SKL):本方案中，對(duì)AES密鑰的密文解密由云服務(wù)器完成。用戶(hù)將自己與屬性集合S有關(guān)的屬性密鑰SKL發(fā)送到云服務(wù)器，當(dāng)屬性列表L滿(mǎn)足單調(diào)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)W時(shí)，云服務(wù)器利用用戶(hù)的屬性私鑰即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的AES密鑰，計(jì)算過(guò)程如下：

得到AES的密鑰M后，采用AES解密算法將加密后的工業(yè)數(shù)據(jù)解密為DATA，然后將密鑰和工業(yè)數(shù)據(jù)(M,DATA)發(fā)送回用戶(hù)端。

(5)Check(V)：用戶(hù)利用從云服務(wù)器傳送回的M計(jì)算本次驗(yàn)證碼，若h(uM)=V,則證明密鑰是正確的，收到的DATA是正確且可信的，否則，數(shù)據(jù)解密過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，重新解密。

3 安全性證明

Step4：對(duì)Step2和Step3步驟進(jìn)行重復(fù)操作。

Step5：若經(jīng)過(guò)幾輪操作之后，能夠得出Z=e(g,g)abc，則敵手能夠?qū)的值進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，否則敵手只能以概率ε對(duì)消息進(jìn)行隨機(jī)的猜測(cè)才能解決DBDH問(wèn)題。

4 性能分析

本節(jié)將從理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩個(gè)方面對(duì)所提的方案進(jìn)行性能評(píng)估，并與文獻(xiàn)[17,23]方案進(jìn)行對(duì)比。

4.1 理論分析

4.1.1 密文長(zhǎng)度分析

本節(jié)對(duì)比文中方案與文獻(xiàn)[17,23]方案在云服務(wù)器端和用戶(hù)端的密文長(zhǎng)度，選取文獻(xiàn)[23]里面基于屬性的訪(fǎng)問(wèn)方案。|G1|、|GT|、|ZP|分別表示G1、GT和ZP中元素的長(zhǎng)度，n為屬性的數(shù)量。在本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，主要對(duì)比解密外包云服務(wù)器端的密文長(zhǎng)度和用戶(hù)端解密的密文長(zhǎng)度，由于文獻(xiàn)[17]沒(méi)有解密外包，所以在云服務(wù)器端沒(méi)有出現(xiàn)密文，具體對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 密文長(zhǎng)度對(duì)比

由表1可以看出，文中方案和文獻(xiàn)[23]在用戶(hù)端的密文長(zhǎng)度分別為|GT|和2|GT|，文獻(xiàn)[17]用戶(hù)端的密文長(zhǎng)度為4|G1|；文獻(xiàn)[23]在云服務(wù)器端的密文長(zhǎng)度與屬性數(shù)量n相關(guān)，文中方案在云服務(wù)器端的密文長(zhǎng)度為一個(gè)定值，在屬性數(shù)量n較大的情況下，文中方案更具有優(yōu)勢(shì)。

4.1.2 解密計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比

本節(jié)對(duì)比文獻(xiàn)[17,23]的在加密和解密階段的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，本次不考慮哈希計(jì)算和AES對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的加密計(jì)算，具體對(duì)比情況見(jiàn)表2。其中E1、ET分別是G1、GT中的指數(shù)運(yùn)算，P為配對(duì)運(yùn)算，n為用戶(hù)的屬性數(shù)量。

表2 計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比

通過(guò)表2可以得知，在加密階段，文獻(xiàn)[23]方案計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)最小；在外包解密階段，文獻(xiàn)[17]沒(méi)有實(shí)現(xiàn)外包，文獻(xiàn)[23]解密開(kāi)銷(xiāo)與用戶(hù)屬性數(shù)量n相關(guān)。該文由于實(shí)現(xiàn)了密文定長(zhǎng)，計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)是一個(gè)定值；在用戶(hù)解密階段，文獻(xiàn)[17]與用戶(hù)屬性數(shù)量相關(guān)，文獻(xiàn)[23]為7E1，文中為ET。文獻(xiàn)[17]整體計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)為(3+n)E1+ET+3P，文獻(xiàn)[23]整體計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)為(8+2n)E1+ET+3P，文中方案的整體計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)是一個(gè)定值2E1+2ET+3P，另外兩個(gè)方案總計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)與屬性數(shù)量n相關(guān)，因此當(dāng)屬性數(shù)量n很大的情況下，文中方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，該文以橢圓曲線(xiàn)TypeA:y2=x3+x為基準(zhǔn)，測(cè)試程序基于開(kāi)源密碼學(xué)庫(kù)Bouncy Castle實(shí)現(xiàn)，使用java語(yǔ)言編寫(xiě)，解密外包云服務(wù)器采用阿里云服務(wù)器ECS，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，加密工業(yè)數(shù)據(jù)的算法為128 bit AES算法，主要運(yùn)行環(huán)境如表3所示。

表3 服務(wù)器配置情況

在不考慮網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的情況下，分別測(cè)試三種方案在加密階段和解密階段的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，使用壓力測(cè)試工具Apache JMeter在模擬工控系統(tǒng)(ICS)加密階段和云服務(wù)器端、用戶(hù)端解密階段系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中每組數(shù)據(jù)均采用20輪實(shí)驗(yàn)的平均值，圖2為加密階段對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖3為解密階段對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖4為用戶(hù)解密階段對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖2 加密階段系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

圖3 解密階段系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

圖4 用戶(hù)端解密響應(yīng)時(shí)間

通過(guò)圖2可以看出，在加密階段，3種方案的系統(tǒng)加密時(shí)間都隨著用戶(hù)屬性的增加而增加，沒(méi)有明顯的差異，都保持在1 s到5 s之間。通過(guò)圖3可以看出，文中方案和文獻(xiàn)[23]都采用的是外包解密結(jié)合用戶(hù)解密，文獻(xiàn)[17]沒(méi)有采用外包解密，因此文獻(xiàn)[17]用戶(hù)端解密的開(kāi)銷(xiāo)和文中方案、文獻(xiàn)[23]走勢(shì)和幾乎相同，但是文中方案和文獻(xiàn)[17]都采用了密文定長(zhǎng)的算法，因此在屬性數(shù)量到達(dá)80到100區(qū)間，文中方案的外包解密與文獻(xiàn)[17]的用戶(hù)解密時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)在5 s到6 s區(qū)間，文獻(xiàn)[23]在8.1 s左右，并且上升趨勢(shì)更快。通過(guò)圖4可以看到，文中方案的用戶(hù)端解密開(kāi)銷(xiāo)基本穩(wěn)定在10 ms左右，文獻(xiàn)[23]的用戶(hù)端解密開(kāi)銷(xiāo)隨著屬性數(shù)量的增加而不斷增加，文獻(xiàn)[17]沒(méi)有實(shí)現(xiàn)外包解密，用戶(hù)端解密開(kāi)銷(xiāo)放在圖3進(jìn)行對(duì)比。

在工控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，工業(yè)數(shù)據(jù)一般會(huì)進(jìn)行一次加密上傳后多次下載解密，即下載解密階段的性能才能決定系統(tǒng)整體性能的好壞，當(dāng)用戶(hù)下載解密的次數(shù)遠(yuǎn)大于上傳加密的次數(shù)時(shí)，加密上傳階段的性能幾乎可以忽略不計(jì)，因此，文中方案在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，具有用戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)解密時(shí)間短，訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)量大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)日益嚴(yán)峻的數(shù)據(jù)安全性問(wèn)題，采用AES加密工業(yè)數(shù)據(jù)后用CP-ABE加密AES算法的密鑰，并在文獻(xiàn)[17]算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了AES密鑰的密文定長(zhǎng)的功能，減小了存儲(chǔ)空間，并改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)外包解密，用戶(hù)端通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證碼對(duì)云服務(wù)器解密數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，降低了用戶(hù)端的解密開(kāi)銷(xiāo)和訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的效率。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，工業(yè)數(shù)據(jù)一般進(jìn)行一次加密上傳和多次下載解密，當(dāng)下載解密次數(shù)遠(yuǎn)大于加密上傳的次數(shù)時(shí)，系統(tǒng)整體效率與下載解密階段有關(guān)，用戶(hù)端的解密時(shí)間為解密階段的重要指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，文中方案在解密階段，由于采用了解密外包，在用戶(hù)端的解密時(shí)間遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[17]方案的解密時(shí)間，隨著屬性數(shù)量的增加，也明顯低于文獻(xiàn)[23]用戶(hù)端的解密時(shí)間，因此所提的方案能夠滿(mǎn)足工業(yè)控制系統(tǒng)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)量大、響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，提高了訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的效率，適合工控系統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)加密和訪(fǎng)問(wèn)。

下一步的研究?jī)?nèi)容為訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)提供數(shù)字證書(shū)驗(yàn)證，用戶(hù)在請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)之前需要到授權(quán)中心注冊(cè)并申請(qǐng)簽名得到數(shù)字證書(shū)，憑借數(shù)字證書(shū)獲得訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的資格，進(jìn)一步增加工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性。