摘要：科學(xué)數(shù)據(jù)安全既是科學(xué)數(shù)據(jù)管理理論發(fā)展的內(nèi)在需求，也是科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。在計量領(lǐng)域，隨著計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全在數(shù)據(jù)安全普遍意義的基礎(chǔ)上提出了可信的要求。國際計量局（BIPM）制定的發(fā)展戰(zhàn)略CIPM2030+中提出計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型要實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程+X”，其提供的服務(wù)仍然是計量科學(xué)數(shù)據(jù)。因此在“遠(yuǎn)程+X”計量中，實(shí)體世界中計量的權(quán)威性轉(zhuǎn)化為數(shù)字世界中計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信度。本文提出了從三個途徑建立計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的方法，即分別從數(shù)據(jù)產(chǎn)生主體的防抵賴和身份可信、數(shù)據(jù)傳輸過程的防篡改和可追溯，同時給出相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)建議，并具體介紹了中國計量科學(xué)研究院在實(shí)現(xiàn)計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信方面的數(shù)據(jù)安全體系設(shè)計。通過這些研究有助于建立計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信體系，為計量科學(xué)數(shù)據(jù)的安全應(yīng)用和計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型構(gòu)建可信基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)安全；數(shù)據(jù)可信；計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型；數(shù)據(jù)可追溯

1 "引言

科學(xué)數(shù)據(jù)是數(shù)字時代的新生產(chǎn)要素，中共中央、國務(wù)院《關(guān)于構(gòu)建數(shù)據(jù)基礎(chǔ)制度更好發(fā)揮數(shù)據(jù)要素作用的意見》[1]（數(shù)據(jù)二十條）、國家數(shù)據(jù)局等17部門《“數(shù)據(jù)要素×”三年行動計劃》[2]均指出數(shù)據(jù)要素應(yīng)在各領(lǐng)域流通共享。數(shù)據(jù)安全是高質(zhì)量共享的基礎(chǔ)。尤其對于科學(xué)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)安全構(gòu)建高質(zhì)量共享作為科學(xué)研究的新范式。計量作為構(gòu)建國家一體化戰(zhàn)略體系和能力的重要支撐，計量領(lǐng)域的科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)揮著數(shù)據(jù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的作用，其安全性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的可信。可信的計量科學(xué)數(shù)據(jù)，才能構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)共享中成為國家計量標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，國際計量界正在大力開展計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型。國際計量局（BIPM）與國際科學(xué)理事會數(shù)據(jù)委員會（CODATA）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等10個國際組織共同簽署了關(guān)于計量數(shù)字化協(xié)議[3]，科學(xué)數(shù)據(jù)是其中的重要內(nèi)容，指出科學(xué)數(shù)據(jù)在高質(zhì)量共享中應(yīng)遵循FAIR+T化原則。同時國際計量局（BIPM）制定了應(yīng)對全球數(shù)字化變革的計量戰(zhàn)略CIPM2030+[4]，指出數(shù)字時代計量的重要模式是“遠(yuǎn)程+X”，即遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程檢定和遠(yuǎn)程測試?！斑h(yuǎn)程+X”是以數(shù)字技術(shù)方式提供計量科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)，例如以遠(yuǎn)程檢測代替原有的現(xiàn)場檢測，實(shí)現(xiàn)一種計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型。對數(shù)字化校準(zhǔn)對象來說，遠(yuǎn)程檢測更準(zhǔn)確、更直接、更高效。遠(yuǎn)程檢測相較于原有現(xiàn)場校準(zhǔn)方式，要解決的核心問題是數(shù)據(jù)的可信。因此在“遠(yuǎn)程+X”計量中，實(shí)體世界中計量的權(quán)威性轉(zhuǎn)化為數(shù)字世界中計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信度是建立計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信體系的重要基礎(chǔ)。

2 "計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度

計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作在國內(nèi)外尚為起步階段，目前對于計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信度還沒有明確定義。“計量與數(shù)字化”屬于交叉科學(xué)，對于計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的研究，需結(jié)合計量學(xué)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)等學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容開展研究。根據(jù)計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基本目的，計量科學(xué)數(shù)據(jù)是為計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型后的計量活動服務(wù)的，其中一種重要模式即為“遠(yuǎn)程+X”計量。因此，計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信度可以根據(jù)“遠(yuǎn)程+X”的計量基本模式，從數(shù)據(jù)的全流程安全角度進(jìn)行定義。

從數(shù)據(jù)的全流程安全分析，參照國際計量界的通用方法[5]，計量科學(xué)數(shù)據(jù)的安全可分為產(chǎn)生和傳輸兩個階段。在數(shù)據(jù)產(chǎn)生階段，安全問題重點(diǎn)是數(shù)據(jù)產(chǎn)生主體。數(shù)據(jù)產(chǎn)生主體可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)安全問題主要有對于數(shù)據(jù)歸屬的抵賴，以及主體身份的可信。在數(shù)據(jù)傳輸階段，安全問題重點(diǎn)是傳輸過程。傳輸過程可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)安全問題主要有數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否被篡改，以及數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸之后是否還可以被追溯。尤其是在可追溯方面，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的計量科學(xué)數(shù)據(jù)特色安全問題。計量的基本特征之一是溯源性。溯源性在計量領(lǐng)域是指“通過文件規(guī)定的不間斷的校準(zhǔn)鏈，測量結(jié)果與參照對象聯(lián)系起來的特性，校準(zhǔn)鏈中的每項校準(zhǔn)均會引入測量不確定度”[6] 。其中“參照對象可以是實(shí)際實(shí)現(xiàn)的測量單位的定義，或包括無序量測量單位的測量程序，或測量標(biāo)準(zhǔn)”。因此當(dāng)計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型時，由“測量程序”體現(xiàn)的計量溯源性更為明顯。尤其是溯源性有時是指量值溯源性，有時也用于非量值概念，即指某項目的歷程（“軌跡”）。諸如樣品可追溯性，文件可追溯性，儀器可追溯性。因此在計量科學(xué)數(shù)據(jù)的安全性方面，計量溯源性可明確為數(shù)據(jù)自身的可追溯性。

綜上，從計量科學(xué)數(shù)據(jù)的安全性方面分析，計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的內(nèi)涵包含了數(shù)據(jù)產(chǎn)生主體的防抵賴和身份可信、數(shù)據(jù)傳輸過程的防篡改和可追溯，即數(shù)據(jù)可信度是指數(shù)據(jù)是否在防抵賴（含身份可信），被篡改、可追溯三個方面實(shí)現(xiàn)了安全。因此，數(shù)據(jù)安全意義上的計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由最小字段、計量特性字段、安全（可信）字段共同構(gòu)成，如圖1所示。

3 "計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的建立方法

按照計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的內(nèi)涵， 計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的建立也需依賴三方面的技術(shù)，即數(shù)據(jù)防抵賴（含身份可信），被篡改、可追溯技術(shù)，且需結(jié)合計量特色，即溯源性。

數(shù)據(jù)防抵賴（含身份可信）方面，主要可以采用基于CA證書[7]的數(shù)字簽名[8]技術(shù)。CA數(shù)字證書提供數(shù)據(jù)產(chǎn)生主體的身份可信。數(shù)字簽名附加在數(shù)據(jù)單元，或?qū)?shù)據(jù)單元做密碼變換，這種附加數(shù)據(jù)或密碼變換被數(shù)據(jù)單元的接收者用以確認(rèn)數(shù)據(jù)單元的來源和完整性，可以防止數(shù)據(jù)產(chǎn)生主體對數(shù)據(jù)產(chǎn)生行為的抵賴?；贑A數(shù)字證書的數(shù)字簽名技術(shù)，結(jié)合了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以在數(shù)據(jù)防抵賴（含身份可信）方面有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全意義上的計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信。

數(shù)據(jù)防篡改方面，主要可以采用面向計量數(shù)據(jù)字段的國密算法SM3技術(shù)。使用國密算法SM3[9]，即雜湊算法，可以作用于計量科學(xué)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生輸出時的消息摘要（比特串）。該消息摘要對于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有唯一特性，尤其是當(dāng)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有更多的計量屬性字段，例如測量數(shù)據(jù)的主體信息、數(shù)據(jù)的測量條件、數(shù)據(jù)測量依據(jù)的基標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)測量的不確定度等，使得該消息摘要更具有加密性。因此面向計量數(shù)據(jù)字段的國密算法SM3技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)被篡改方面有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全意義上的計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信。

數(shù)據(jù)可追溯方面，主要可以采用時間同步技術(shù)和可信時間戳技術(shù)。時間同步是指每一個計量科學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，都包含一個時間字段（如圖1中所示）。該時間字段的含義是數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間，即產(chǎn)生數(shù)據(jù)的計量測試活動時間。由于所有的計量測試活動都具有該屬性，而且該屬性可以通過完善的不間斷時間溯源鏈建立可信度，因此該字段既是計量科學(xué)數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，同時也是可以提供數(shù)據(jù)追溯的可信字段。我國以時間頻率基準(zhǔn)直接復(fù)現(xiàn)秒定義（目前國際單位制中時間的基本單位）[10]，為國家最高的時間標(biāo)準(zhǔn)。該基準(zhǔn)通過獨(dú)立測量和計算得到實(shí)際復(fù)現(xiàn)值及其不確定度，此不確定度稱為基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，用相對值表示。目前只有少數(shù)幾個國家研制出了時頻基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度達(dá)到了10-15量級。目前我國的時間頻率基準(zhǔn)裝置是銫原子噴泉時頻基準(zhǔn)，一種新型的時間頻率基準(zhǔn)裝置，由于銫原子運(yùn)動速度很低，也大大減小與速度有關(guān)的一些因素在復(fù)現(xiàn)時引入的偏差，故可得到很高的準(zhǔn)確度。所有的終端計量活動的時間屬性都可以溯源至此國家基準(zhǔn)，在保證時間的準(zhǔn)確性的同時自然建立了時間的可信（如圖3中的基準(zhǔn)時間同步所示）。時間戳[11]則是使用數(shù)字簽名技術(shù)，對被簽名的數(shù)據(jù)對象進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。簽名的對象包括原始文件信息、簽名參數(shù)、簽名時間等信息。時間戳可以證明原始文件在簽名時間之前已經(jīng)存在?？尚艜r間是經(jīng)計量溯源具有一定不確定度水平的時間。以溯源至此基準(zhǔn)的時間以及其他內(nèi)容作為簽名對象，產(chǎn)生可信時間戳，作為計量科學(xué)數(shù)據(jù)的追溯關(guān)鍵字段，可以使時間戳具有了不間斷的高精度溯源鏈，保證了計量科學(xué)數(shù)據(jù)可追溯的質(zhì)量。因此可信時間戳技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)可追溯方面有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全意義上的計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信。

以上三方面的技術(shù)并不是獨(dú)立使用，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯方面的可信時間戳技術(shù)就使用了數(shù)據(jù)防抵賴（含身份可信）方面的數(shù)字簽名技術(shù)。同時，所有技術(shù)都結(jié)合了計量科學(xué)數(shù)據(jù)的溯源性特性，是面向計量科學(xué)數(shù)據(jù)溯源性字段進(jìn)行加密，因此三方面的技術(shù)應(yīng)綜合運(yùn)用，可以有效地實(shí)現(xiàn)計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信，達(dá)到數(shù)據(jù)產(chǎn)生和傳輸過程高度透明、數(shù)字可驗(yàn)證、易辨

真?zhèn)?、計量可追溯的目的?/p>

4 "實(shí)現(xiàn)計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信的安全體系設(shè)計

計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的實(shí)現(xiàn)技術(shù)需要綜合使用，才能發(fā)揮保障計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全的作用。因此，需要設(shè)計一種計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信的安全體系實(shí)現(xiàn)計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信。該體系需包括計量科學(xué)數(shù)據(jù)及其可信度的實(shí)現(xiàn)技術(shù)兩部分，其中計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的實(shí)現(xiàn)技術(shù)包含了三個方面即數(shù)據(jù)防抵賴（含身份可信），被篡改、可追溯，同時又是綜合應(yīng)用，沒有明確的界限，包括但不限于CA證書、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加解密、時間同步技術(shù)和可信時間戳等技術(shù)。

中國計量科學(xué)研究院（下稱中國計量院）已經(jīng)進(jìn)行了多年的計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究，其中包括了計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全體系研究，目前形成了綜合應(yīng)用計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全運(yùn)行的體系。該體系按照計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度的內(nèi)涵和建立方法建設(shè)，其原理圖如圖2所示。

該體系主要功能分為兩部分，分別為可信計量科學(xué)數(shù)據(jù)的生成和經(jīng)傳輸后計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信使用。

可信計量科學(xué)數(shù)據(jù)的生成部分，綜合采用CA證書、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加解密、可信時間戳等可信技術(shù)，生成疊加明文、暗文、明文二維碼的可信計量科學(xué)數(shù)據(jù)。對于計量活動，表現(xiàn)形式為一份可信計量證書。具體過程為，首先獲取證書系統(tǒng)和證書服務(wù)器，證書系統(tǒng)中包含用于非對稱加密的公鑰和私鑰，證書服務(wù)器則用于保存時空證書；其次對于每個計量活動產(chǎn)生的原始計量數(shù)據(jù)，生成一個哈希值，再使用私鑰，通過SM2算法對哈希值進(jìn)行加密得到簽名暗文，同時獲取到操作系統(tǒng)時空信息形成時間空間明文，通過時間空間明文和證書系統(tǒng)生成明文二維碼，將時間空間明文和明文二維碼疊加到初始計量數(shù)據(jù)上生成疊加明文、二維碼的可信計量數(shù)據(jù)。在計量數(shù)據(jù)的本體層面，將之前生成的暗文寫入，最后生成疊加明文、暗文、二維碼的可信計量數(shù)據(jù)本體文件，即數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）[12]，也可同時生成可視化的計量證書。

經(jīng)傳輸后計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信使用，則是通過證書檢驗(yàn)、暗文檢驗(yàn)、明文檢驗(yàn)經(jīng)傳輸?shù)玫降挠嬃靠茖W(xué)數(shù)據(jù)（計量證書），以判斷該數(shù)據(jù)（證書）是否可信。首先掃描明文二維碼查詢證書服務(wù)器上的時空證書信息，對時空證書信息進(jìn)行證書檢驗(yàn)，得到證書檢驗(yàn)結(jié)果，若匹配則證書檢驗(yàn)結(jié)果為真，若不匹配則為假。然后對于明文使用方式，則可以查看數(shù)據(jù)證書的時間空間明文與傳輸前的明文是否一致，得到明文檢驗(yàn)結(jié)果，若一致，則明文檢驗(yàn)結(jié)果為真，反之則為假；對于加密文件（暗文）使用方式，先獲取證書系統(tǒng)中的公鑰，再獲取疊加明文、暗文、二維碼的簽名文件。通過公鑰和簽名驗(yàn)證系統(tǒng)對暗文進(jìn)行檢驗(yàn)，使用公鑰對得到的簽名文件進(jìn)行解密，得到暗文檢驗(yàn)結(jié)果，若匹配則證書檢驗(yàn)結(jié)果為真，若不匹配則為假。綜合證書檢驗(yàn)結(jié)果和暗文檢驗(yàn)結(jié)果得到計量數(shù)據(jù)證書檢驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)證書檢驗(yàn)結(jié)果、暗文檢驗(yàn)結(jié)果、明文檢驗(yàn)結(jié)果都為真時，計量數(shù)據(jù)證書檢驗(yàn)結(jié)果為真，即該計量數(shù)據(jù)證書可信，其余情況檢驗(yàn)結(jié)果皆為假，即該計量數(shù)據(jù)證書不可信。

該計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全體系已經(jīng)形成了CA數(shù)字簽名、基準(zhǔn)時間同步、可信時間戳、可信視頻綜合應(yīng)用四個方面的特色系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時間可信、身份可信、內(nèi)容可信、視頻可信。中國計量院的可信計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全體系構(gòu)筑了國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施NQI數(shù)字化安全基礎(chǔ)。如圖3所示。

5 "總結(jié)

本文提出的方法是對計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信的階段性研究成果，依據(jù)該研究成果構(gòu)建的計量科學(xué)數(shù)據(jù)安全體系經(jīng)過了實(shí)踐的檢驗(yàn)。目前，計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作還處于起步階段，因此計量科學(xué)數(shù)據(jù)本身將有更多的研究結(jié)果和規(guī)范，面向計量科學(xué)數(shù)據(jù)的可信技術(shù)也會不斷進(jìn)步。隨著研究的深入和國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展，包括可信在內(nèi)的計量科學(xué)數(shù)據(jù)的安全將會有更豐富的內(nèi)容。

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引用格式：劉子龍，龔浩，王娟，熊行創(chuàng).計量科學(xué)數(shù)據(jù)可信度研究[J].農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)學(xué)報，2024，6（2）：253-258.DOI：10.19788/j.issn.2096-6369.000034.

CITATION： LIU ZiLong， GONG Hao， WANG Juan， XIONG XingChuang. Research on the Trusted Level of Metrology Scientific Data[J]. Journal of Agricultural Big Data：2024，6（2）：253-258. DOI：10.19788/j.issn.2096-6369.000034.

Research on the Trusted Level of Metrology Scientific Data

LIU ZiLong1，2， GONG Hao1，2， WANG Juan1，3， XIONG XingChuang1，2，*

1.Center for Metrology Scientific Data， National Institute of Metrology， Beijing 100029; 2.Key Laboratory of Metrology Digitalization and Digital Metrology for State Market Regulation， Beijing 100029; 3. China Jiliang University， Hangzhou 310018

Abstract： Scientific data security is not only an inherent requirement for the development of scientific data management theory， but also a practical need for the development of scientific data. In the field of metrology， with the development of metrology digital transformation， reliable requirements have been put forward for data security in metrology science based on the universal significance of data security. The development strategy CIPM2030+formulated by the International Bureau of Weights and Measures （BIPM） proposes to achieve \"remote+X\" in the digital transformation of metrology， and its services still focus on metrology scientific data. Therefore， in \"remote+X\" measurement， the authority of measurement in the physical world is transformed into the credibility of scientific measurement data in the digital world. This article proposes three methods to establish the credibility of metrological data， namely， the anti-repudiation and identity trustworthiness of the data generation subject， the anti-tampering and traceability of the data transmission process， and provides corresponding implementation technical suggestions. It also specifically introduces the data security system design of the National Institute of Metrology in achieving the credibility of metrological data. Through these studies， we will gradually establish a trustworthy system for metrological scientific data， and build a trustworthy foundation for the secure application of metrological scientific data and the digital transformation of metrology.

Keywords： data security; trusted data; metrology digital transformation; data traceability