工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃海艇，徐盼，唐沸濤

（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（上海）有限公司，上海 200232）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式，其融合了工業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息通信技術(shù)，能夠在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的作用下，構(gòu)建“人與人”、“人與物”、“人與機(jī)”之間的全面連接關(guān)系[1]。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，同時(shí)涉及智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化等多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。這些技術(shù)能夠在維持網(wǎng)絡(luò)主機(jī)間通信傳輸關(guān)系的同時(shí)，保證數(shù)據(jù)信息的傳輸穩(wěn)定性，一方面實(shí)現(xiàn)了由單一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)到多元化網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，另一方面也避免了其他傳輸信息對(duì)主體網(wǎng)絡(luò)造成的攻擊與影響，從而使得整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間維持相對(duì)穩(wěn)定的連接狀態(tài)[2]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的感知層終端環(huán)境中，由于傳輸數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)行為的不確定性，個(gè)別信息參量極易受到外界干擾要素的影響，這也是導(dǎo)致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)不能對(duì)傳輸數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)行為進(jìn)行有效控制的主要原因[3]。傳統(tǒng)仿生架構(gòu)型控制系統(tǒng)雖然能夠準(zhǔn)確區(qū)分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)所處的實(shí)時(shí)傳輸位置，但卻難以在信息與信息之間建立精準(zhǔn)的互通關(guān)系，這不但影響了互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)信息參量傳輸行為的控制有效性，也使得網(wǎng)絡(luò)主機(jī)與底層數(shù)據(jù)參量之間的訪問(wèn)緊密性不斷下降[4]。

為解決上述問(wèn)題，在仿生架構(gòu)型控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)。

1 安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 多端口拓?fù)潆娐?/h3>

多端口拓?fù)潆娐纺軌蛱峁┕I(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層組織所需的電流與電壓，并可在PORT 單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電阻等多個(gè)應(yīng)用元件的支持下，對(duì)數(shù)據(jù)信息的訪問(wèn)連接行為進(jìn)行精準(zhǔn)控制，具體連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 多端口拓?fù)潆娐肥疽鈭D

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器始終位于多端口拓?fù)潆娐废露?。隨著電信號(hào)傳輸量的不斷增大，該元件兩端所負(fù)載的物理電壓數(shù)值水平也會(huì)逐漸增大[5-6]。

PORT單片機(jī)作為多端口拓?fù)潆娐返暮诵膽?yīng)用結(jié)構(gòu)，能夠記錄互聯(lián)網(wǎng)電源中的電量傳輸行為，并可以在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)機(jī)元件的作用下，確定互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)所能達(dá)到的最遠(yuǎn)傳輸距離，從而使整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層組織成為一個(gè)完全獨(dú)立的多端口應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

1.2 三相級(jí)聯(lián)H橋變流器

三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器作為多端口拓?fù)潆娐返南录?jí)連接結(jié)構(gòu)，由S 族系、D 族系、W 族系三個(gè)應(yīng)用單元共同組成。其中，S 族系單元包含兩個(gè)H 橋變流器，其中一個(gè)變流器設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)度工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層終端中的訪問(wèn)數(shù)據(jù)，另一個(gè)變流器設(shè)備則可對(duì)已接收的數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)連接請(qǐng)求進(jìn)行加工與處理[7]。D 族系單元包含四個(gè)H 橋變流器，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)中，這些變流器結(jié)構(gòu)的物理型號(hào)完全相同，同時(shí)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)起到功能性整合作用。W 族系包含兩個(gè)H 橋變流器，兩者的物理作用能力基本相同，主要負(fù)責(zé)在分類數(shù)據(jù)訪問(wèn)信號(hào)的同時(shí)，將這些傳輸信息參量導(dǎo)入至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)之中[8]。三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器的具體連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 三相級(jí)聯(lián)H橋變流器結(jié)構(gòu)示意圖

由于三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器結(jié)構(gòu)的存在，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層主機(jī)中始終不會(huì)出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)信息堆積行為，這也是傳輸編碼信息對(duì)傳輸轉(zhuǎn)碼信息的訪問(wèn)占用率能夠得到較好控制的主要原因。

1.3 DC/DC信號(hào)變換器

DC/DC 信號(hào)變換器負(fù)責(zé)執(zhí)行由互聯(lián)網(wǎng)感知層輸入信號(hào)到訪問(wèn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換指令，可在三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器的基礎(chǔ)上，對(duì)各類型信號(hào)參量進(jìn)行二次加工與處理，從而使得工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)中的數(shù)據(jù)信號(hào)能夠長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的傳輸形式[9]。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，DC/DC 信號(hào)變換器必須與訪問(wèn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)元件相連，一方面可避免互聯(lián)網(wǎng)感知信息出現(xiàn)過(guò)度外溢的情況，另一方面也可縮短訪問(wèn)數(shù)據(jù)所需的傳輸時(shí)間，從而將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)快速調(diào)度至最佳狀態(tài)[10-11]。

從功能性角度來(lái)看，DC/DC 信號(hào)變換器具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息整合能力，既能滿足信號(hào)與信號(hào)之間的訪問(wèn)連接需求，也可以避免不合理訪問(wèn)連接指令的生成，從而在根本上解決由數(shù)據(jù)信息堆積而引發(fā)的訪問(wèn)請(qǐng)求連接能力較弱的問(wèn)題。

2 安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 多端口訪問(wèn)協(xié)議

多端口訪問(wèn)協(xié)議作用于訪問(wèn)控制系統(tǒng)三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器與DC/DC 信號(hào)變換器元件之間，由信息包頭結(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)信息過(guò)渡文件、信息包尾節(jié)點(diǎn)三部分共同組成。具體協(xié)議定義形式如下：

1）信息包頭結(jié)點(diǎn)：對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)訪問(wèn)信息而言，頭結(jié)點(diǎn)定義了數(shù)據(jù)參量的初始傳輸位置，且由于主機(jī)連接端口的同步開(kāi)放，所有數(shù)據(jù)信息都能夠保持同步傳輸狀態(tài)，此時(shí)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)也能夠自發(fā)對(duì)傳輸信息進(jìn)行控制與管理[12]。

2）數(shù)據(jù)信息過(guò)渡文件：存在于信息包頭結(jié)點(diǎn)與信息包尾節(jié)點(diǎn)之間，能夠容納多種形式的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)，從而大大緩解了數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)所面臨的信息參量存儲(chǔ)壓力。

3）信息包尾節(jié)點(diǎn)：對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)訪問(wèn)信息而言，尾節(jié)點(diǎn)定義了數(shù)據(jù)參量的傳輸目的地，隨著數(shù)據(jù)信息傳輸量的增大，尾節(jié)點(diǎn)定義項(xiàng)的存在數(shù)量水平也會(huì)不斷增大。

2.2 編碼密鑰備份

編碼密鑰備份是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的必要處理環(huán)節(jié)，在三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器、DC/DC 信號(hào)變換器等多個(gè)硬件應(yīng)用設(shè)備均處于穩(wěn)定連接狀態(tài)的情況下，系統(tǒng)主機(jī)所制定的數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)控制指令，完全遵循編碼密鑰的備份處理結(jié)果[13-14]。

假設(shè)kα表示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層傳輸數(shù)據(jù)的明文定義向量，kε表示密文定義向量，其中α表示訪問(wèn)數(shù)據(jù)的明文信息編碼系數(shù)，ε表示密文信息編碼系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可將多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)中的編碼密鑰備份條件表示為：

式中，?表示訪問(wèn)數(shù)據(jù)的篩查系數(shù)項(xiàng)，表示單位時(shí)間內(nèi)的訪問(wèn)數(shù)據(jù)傳輸均值量，表示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層端口中的數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)特征值。編碼密鑰備份條件約束了互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)在感知層端口中的傳輸行為，一般來(lái)說(shuō)，待備份的數(shù)據(jù)信息越多，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于訪問(wèn)連接指令的控制能力也就越弱，反之則越強(qiáng)。

2.3 訪問(wèn)信息認(rèn)證

在已知編碼密鑰備份條件的基礎(chǔ)上，可通過(guò)訪問(wèn)信息認(rèn)證的處理方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)執(zhí)行指令有效性的排查。在不考慮其他干擾條件的情況下，系統(tǒng)訪問(wèn)信息認(rèn)證指令的制定必須同時(shí)考慮數(shù)據(jù)信息感知系數(shù)、訪問(wèn)指令行為項(xiàng)兩項(xiàng)物理指標(biāo)的影響[15-16]。

將數(shù)據(jù)信息感知系數(shù)常表示為r，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層組織中，該項(xiàng)指標(biāo)參量的取值始終屬于[1,e)的物理區(qū)間。訪問(wèn)指令行為項(xiàng)常表示為φi，i作為一個(gè)既定的數(shù)據(jù)信息標(biāo)定指標(biāo)，其取值結(jié)果不會(huì)大于自然數(shù)“1”。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主機(jī)所遵循的訪問(wèn)信息認(rèn)證表達(dá)條件定義為：

式中，β表示訪問(wèn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)編碼系數(shù)，q表示訪問(wèn)信息排查項(xiàng)，表示系統(tǒng)主機(jī)中的訪問(wèn)信息變換權(quán)限，λ表示既定的訪問(wèn)信息變換指標(biāo)，ΔT表示數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)控制指令的單位編碼時(shí)長(zhǎng)。

對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)而言，只有得到控制系統(tǒng)認(rèn)證的訪問(wèn)信息才能在感知層多端口結(jié)構(gòu)間自由傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)的可行性。實(shí)驗(yàn)中，將多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)仿生架構(gòu)型控制系統(tǒng)作為對(duì)照組。

編碼信息、轉(zhuǎn)碼信息都是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層終端中的關(guān)鍵傳輸數(shù)據(jù)，在實(shí)際通信過(guò)程中，兩類信息的傳輸能力都會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化。訪問(wèn)占用率是指數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，編碼信息對(duì)于轉(zhuǎn)碼信息訪問(wèn)行為的占用水平。一般來(lái)說(shuō)，占用率指標(biāo)的數(shù)值水平越低，則表示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)行為的控制越嚴(yán)格。

圖3反映了訪問(wèn)占用率指標(biāo)的理想數(shù)值變化情況。

圖3 訪問(wèn)占用率指標(biāo)的理想數(shù)值

分析圖3 可知，在數(shù)據(jù)信息順序傳輸?shù)那闆r下，編碼信息對(duì)轉(zhuǎn)碼信息的訪問(wèn)占用率水平始終呈現(xiàn)波動(dòng)式變化狀態(tài)。當(dāng)時(shí)間取值為20 min 時(shí)，其占用率指標(biāo)達(dá)到最大值45.3%；當(dāng)時(shí)間取值為25 min 時(shí)，其占用率指標(biāo)達(dá)到最小值40.0%。在數(shù)據(jù)信息逆序傳輸情況下，編碼信息對(duì)轉(zhuǎn)碼信息的訪問(wèn)占用率水平也呈現(xiàn)來(lái)回波動(dòng)的變化狀態(tài)，當(dāng)時(shí)間取值為25 min時(shí)，其占用率指標(biāo)達(dá)到最大值55.0%；當(dāng)時(shí)間取值為15 min 時(shí)，其占用率指標(biāo)達(dá)到最小值45.3%。

表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組訪問(wèn)占用率指標(biāo)在數(shù)據(jù)信息順序傳輸情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)值水平。

表1 訪問(wèn)占用率指標(biāo)（順序傳輸）

分析表1 可知，在數(shù)據(jù)信息順序傳輸?shù)那闆r下，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組訪問(wèn)占用率指標(biāo)表現(xiàn)出不斷波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，但其單位變化幅度相對(duì)較小，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其最大值達(dá)到了42.6%，與理想最大值45.3%相比下降了2.7%。對(duì)照組訪問(wèn)占用率指標(biāo)雖然也呈現(xiàn)出不斷波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，但其單位變化幅度明顯較大，全局最大值達(dá)到了55.4%，與理想最大值45.3%相比上升了10.1%，更遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組占用率指標(biāo)的最大值。

表2 記錄了在數(shù)據(jù)信息逆序傳輸?shù)那闆r下，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組訪問(wèn)占用率指標(biāo)的數(shù)值水平。

表2 訪問(wèn)占用率指標(biāo)（逆序傳輸）

分析表2 可知，在數(shù)據(jù)信息逆序傳輸情況下，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組訪問(wèn)占用率指標(biāo)始終保持不斷下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，其實(shí)驗(yàn)均值42.0%，與理想平均值50.2%相比下降了8.2%。對(duì)照組訪問(wèn)占用率指標(biāo)則呈現(xiàn)出先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其平均取值結(jié)果為52.3%，與理想平均值50.2%相比上升了2.1%，更明顯高于實(shí)驗(yàn)組平均數(shù)值水平。

綜上可知，在應(yīng)用該文設(shè)計(jì)的多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)后，編碼信息對(duì)轉(zhuǎn)碼信息訪問(wèn)占用率指標(biāo)的數(shù)值水平得到了較好控制，與傳統(tǒng)仿生架構(gòu)型控制系統(tǒng)相比，更能輔助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)信息的訪問(wèn)行為進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)仿生架構(gòu)型控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多端口安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)，其聯(lián)合了三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器與DC/DC 信號(hào)變換器，通過(guò)編碼密鑰備份處理的方式，對(duì)待傳輸?shù)脑L問(wèn)信息進(jìn)行認(rèn)證與篩查。從實(shí)用性角度來(lái)看，編碼信息對(duì)轉(zhuǎn)碼信息訪問(wèn)占用率指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值水平得到了較好控制，在解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)行為控制不嚴(yán)格的問(wèn)題方面，具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。