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(shí)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(shí),，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(diǎn),，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(xiǎn)^[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(chǔ),、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(tái)了“中國制造2025”,、“互聯(lián)網(wǎng)+”等產(chǎn)業(yè)政策,，以推動(dòng)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(dòng)計(jì)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(tái),，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(chǔ)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(diǎn)。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(jì),、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(diǎn)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(xiàng)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(gè)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(tái),，主流公司參與實(shí)現(xiàn)共享，但遲遲未能落地,，而德國Fraunhofer則聚焦于用技術(shù)實(shí)現(xiàn)誠信體系,。以中國的三大運(yùn)營商為例，雖然積累平臺(tái)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)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(tái)的數(shù)據(jù)向外流通，且這種單向流通僅限于點(diǎn)對點(diǎn)的方式,，缺乏全局,、去中心的,、多點(diǎn),、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(tái)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(gè)層面,，實(shí)現(xiàn)了不同部門協(xié)同研發(fā)設(shè)計(jì),，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(tái)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(tái)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(tái)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放貸等,。

1.2 安全存儲(chǔ)交換模式

    制造數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)交換模式是指對存儲(chǔ)在云端的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行密態(tài)存儲(chǔ)，使得誠實(shí)但有好奇心的存儲(chǔ)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(chǔ)模式不面向特定對象,，任何具有敏感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的用戶都可選擇該安全存儲(chǔ)模式，從而掌握用戶數(shù)據(jù)的主動(dòng)權(quán),。具體存儲(chǔ)交換模式如圖1所示,。步驟如下：

    (1)安全存儲(chǔ)服務(wù)獲取：企業(yè)用戶選擇所需存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)保密和主動(dòng)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(dòng)授權(quán),。

    (2)安全存儲(chǔ)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(chǔ)服務(wù)提供方?jīng)]有密鑰無法獲得任何用戶信息。

    授權(quán)時(shí),，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(yàn)證權(quán)限,，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限(安全級別較低的被動(dòng)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(dòng)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(shí)間過長導(dǎo)致密鑰泄露問題,，也存在數(shù)據(jù)過期，需要?jiǎng)h除數(shù)據(jù),，節(jié)約存儲(chǔ)開銷的需求,。因此需要?jiǎng)h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(gè)敏感制造數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)交換過程均在密文狀態(tài)下處理，實(shí)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(chǔ)交換關(guān)鍵技術(shù)

    制造大數(shù)據(jù)平臺(tái)為用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、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(xiǎn)^[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(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)和權(quán)限策略描述規(guī)范對云端存儲(chǔ)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(shí)的進(jìn)程面臨溢出攻擊,、惡意代碼竊取數(shù)據(jù)等風(fēng)險(xiǎn),。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(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的主動(dòng)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(shí)現(xiàn)被動(dòng)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(chǔ)云計(jì)算的快速發(fā)展,，用戶逐漸將本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到云端服務(wù)器，以節(jié)約本地存儲(chǔ)開銷,。然而,，用戶數(shù)據(jù)由于脫離本地控制而存儲(chǔ)在云端，具有被泄露,、非法使用的風(fēng)險(xiǎn),，因此需要密碼對云端數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)^[12]。與此同時(shí),，海量數(shù)據(jù)單純加密存儲(chǔ)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(huì)導(dǎo)致下載時(shí)帶寬資源消耗和解密時(shí)計(jì)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(chǔ)難以適應(yīng)生產(chǎn)制造的需求?？伤阉骷用芗夹g(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(chǔ)平臺(tái)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(chǔ)在大數(shù)據(jù)平臺(tái),。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(jì)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(dòng)授權(quán)的特點(diǎn),，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(gè)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(chǔ)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(shí),，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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)算開銷。除此之外,，現(xiàn)實(shí)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(dòng)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(chǔ)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(shí)時(shí)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(shí)具有規(guī)律性和穩(wěn)定性,，但在被攻擊時(shí)，原有的規(guī)律性和穩(wěn)定性被破壞,，會(huì)出現(xiàn)異常的短序列^[27],。基于進(jìn)程的以上特點(diǎn),，人們使用定長序列描繪進(jìn)程正常運(yùn)行時(shí)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(shí)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(dòng)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(jì)算、系統(tǒng)調(diào)用分析等技術(shù)對進(jìn)程動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)和交換問題,，保護(hù)用戶云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享安全，防止提供存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)用戶主動(dòng)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(shí)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(shí)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(chǔ),、密態(tài)高效檢索,、安全共享、訪問控制,、實(shí)時(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，四川 成都610041,；3.中國信息安全評測中心，北京100085)