司志亮, 黃慧穎, 董佳琪

(1. 上海計算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心; 2. 上海嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心;3. 上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 200433)

0 引言

隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代工業(yè)控制要求的更高水平，物理設(shè)備的信息和網(wǎng)絡(luò)，并滿足物理設(shè)備的可控性、可靠性和可擴(kuò)展性等要求，研究人員提出了基于計算機(jī)、通信和控制一體化的信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)研究。目前，對CPS的研究尚處于探索的初始階段，面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如系統(tǒng)架構(gòu)、安全性、網(wǎng)絡(luò)與實時性等。CPS 概念受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府、學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點和重要的投資方向。美國提出的“先進(jìn)制造業(yè)”、德國提出的“工業(yè)4.0”、以及中國提出的“中國制造2025”戰(zhàn)略，其研究基礎(chǔ)都是CPS理論和技術(shù)。

CPS的核心是使物理資源和網(wǎng)絡(luò)資源緊密結(jié)合，使其具有更快的計算、通信和控制協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)自動控制功能，整個系統(tǒng)可以更強(qiáng)大、更可靠、更高效、更大規(guī)模等。CPS是內(nèi)部復(fù)雜的控制系統(tǒng)，是對計算機(jī)、通信、控制等信息技術(shù)的深度整合。

1 CPS體系架構(gòu)

CPS的核心是基于分布式計算系統(tǒng)和下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的計算過程的結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上，建立的智能應(yīng)用系統(tǒng)。CPS體系架構(gòu)是CPS的核心技術(shù)，是CPS的骨架和靈魂。只有建立合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，才能充分反映CPS的性能，以適應(yīng)CPS系統(tǒng)的發(fā)展。

通過文獻(xiàn)[1]對CPS模型框架等相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合CPS的功能并完成功能，從決策、傳輸和感知等功能上分為控制層、智能通信層和現(xiàn)場感知層。CPS的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 控制決策層

控制決策層是CPS的核心，是信息交互的主體，包含CPS應(yīng)用程序的所有字段。它可以在自己的程序控制下運(yùn)行，也可以在人類的干預(yù)下運(yùn)行。該層由多個控制組件組成，數(shù)據(jù)信息通過智能通信層傳輸?shù)綀鼍案兄獙?，控制指令通過智能網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)娇刂茊卧??？刂茮Q策層接收監(jiān)管層策略，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的指令，以控制的具體動作的執(zhí)行[2]。

圖1 CPS架構(gòu)框架圖

1.2 智能通信層

智能通信層由下一代網(wǎng)絡(luò)組成，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸，實現(xiàn)物理和信息系統(tǒng)的集成，通信層是CPS正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[3]。它包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚?，為不同設(shè)備之間的通信提供了一個通信通道。它可用于無線、有線、光纜等多種形式，現(xiàn)場感知層的數(shù)據(jù)通過智能通信層的物理硬件接口采集傳輸，并通過軟件發(fā)送到控制決策層。智能通信層提供CPS的路由、數(shù)據(jù)傳輸、存儲、管理和優(yōu)化服務(wù)，整個過程采取一系列安全措施，確保傳輸過程中信息的安全性、保密性，最大限度地減少信息的傳輸延遲。

1.3 感知激勵層

感知激勵層是物理世界的具體實物。它包含了各種傳感器、探測器、RFID、移動終端、手機(jī)等物理設(shè)備，構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]。物理環(huán)境的感知，獲取與物理世界相關(guān)的信息，并通過感知層設(shè)備嵌入到計算數(shù)據(jù)中去，再做分析和處理，然后將可用的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茖雍驼{(diào)節(jié)器，為控制層和調(diào)節(jié)器提供支持。探測器能夠感知和收集來自物理世界和當(dāng)前CPS的數(shù)據(jù)。同時，該層還包含各種執(zhí)行器單元，這些執(zhí)行器單元構(gòu)成執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，通過控制節(jié)點接收到的控制信息，按照指令對物理屬性進(jìn)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)與物理世界的交互。

2 CPS安全技術(shù)研究

CPS網(wǎng)絡(luò)是一種新型的混合網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的局部控制和全局控制，它使用CPS節(jié)點來傳輸數(shù)據(jù)和反饋控制信息。CPS網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用于智能交通、智能電網(wǎng)、智能工廠、智能物流、智能城市、智能醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，形成信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)融合的新型工業(yè)系統(tǒng)具有巨大的潛力，對未來人們的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)然。在信息集成過程中，信息安全是CPS應(yīng)用的前提[4]。從CPS研究的安全需求出發(fā)，分析了安全問題及研究的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了相應(yīng)的解決方案。

2.1 CPS安全需求

CPS在信息處理過程中，利用感知層的信息，并對信息采集、集成、處理、傳輸和實現(xiàn)層進(jìn)行控制，整個過程要求系統(tǒng)安全、可靠和可控。物理空間中的信息和網(wǎng)絡(luò)空間的傳輸，面臨著被監(jiān)視、泄露和攻擊的威脅。根據(jù)CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，安全威脅主要有：

(1) 感知激勵層由嵌入式設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和控制任務(wù)的實現(xiàn)組成。無線傳輸線路脆弱，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓欤?jié)點計算能力弱，存儲容量和通信能力弱。

(2) 智能通信層主要以下一代網(wǎng)絡(luò)IP6為核心，是核心網(wǎng)絡(luò)、接入方式和傳輸設(shè)備的安全問題；另一方面，通信節(jié)點龐大，傳輸過程中有大量的邏輯信息。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和分布式信息處理方式的發(fā)展，核心承載網(wǎng)絡(luò)更容易受到業(yè)務(wù)攻擊和路由攻擊。

(3) 控制決策層是整個CPS系統(tǒng)的頂層應(yīng)用平臺，涉及業(yè)務(wù)管理、流程、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，將資源信息的各個方面整合成強(qiáng)大的安全管理平臺[4]。由于系統(tǒng)的各個方面，在服務(wù)原則上存在差異，不同的安全要求，不同的用戶服務(wù)也可能不同。因此，大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)控制決策對CPS的安全性和可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn)，特別是在管理、認(rèn)證、控制、云計算和隱私保護(hù)等安全威脅方面尤為突出。

2.2 CPS安全威脅與對策

CPS網(wǎng)絡(luò)存在許多安全風(fēng)險，易受各種攻擊。針對CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和安全威脅分析，提出了各層的安全威脅，并對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)[5]。安全性和可靠性、可擴(kuò)展性、適應(yīng)性以及做出正確決策的能力對整個CPS系統(tǒng)至關(guān)重要[6]。邏輯安全不會出錯，保證了系統(tǒng)安全的動態(tài)維護(hù)和保證。CPS控制決策層的主要安全威脅及對策見表1所示。

表1 CPS控制決策層的安全威脅及對策

智能通信層要完成系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，必須保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保密性、完整性、一致性、訪問控制和恢復(fù)，主要涉及到通信點和端到端的通信。CPS智能通信層的主要安全威脅及對策見表2所示。

表2 智能通信層的安全威脅與對策

現(xiàn)場傳感層主要關(guān)系到基礎(chǔ)設(shè)施的物理安全，而RFID設(shè)備、傳感器、圖像、定位執(zhí)行器等數(shù)據(jù)采集是一些系統(tǒng)的基礎(chǔ)[7]。現(xiàn)場感知層的安全威脅和對策見表3所示。

表1到表3表明，CPS在空間和時間上的安全問題進(jìn)行了描述，并給出了相應(yīng)的技術(shù)措施，以確保系統(tǒng)能夠做出正確的決策，確保運(yùn)行無故障[5]。此外，我們還有一些工作規(guī)劃、法律法規(guī)、宏觀規(guī)則等非技術(shù)因素[6,7]。

4 總結(jié)

本文從CPS的概念出發(fā)，研究了CPS的體系結(jié)構(gòu)、安全威脅和安全措施。信息系統(tǒng)的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，通過計算、通信和控制的集成，實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高效、安全。通過對現(xiàn)階段CPS的研究，更好地理解CPS的概念和內(nèi)涵，明確了CPS的研究方向和發(fā)展方向，為進(jìn)一步研究CPS奠定了基礎(chǔ)。雖然目前CPS的研究成果較少，但隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟，CPS將成為未來科技發(fā)展的熱點。

表3 感知激勵層的安全威脅及對策