軟硬一體化自主防危系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

引 言

計算機(jī)系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)的核心是 CPU，中央處理器，而軟件系統(tǒng)的核心則為操作系統(tǒng)等。目前我國使用的計算機(jī)系統(tǒng)，絕大多數(shù)來自美國的軟件生產(chǎn)商 Microsoft， 而硬件核心 CPU 在 PC 端主要來自Intel 和 AMD?？梢哉f，我國的計算機(jī)系統(tǒng)安全性是十分脆弱的， 這不僅反映在計算機(jī)系統(tǒng)中的重要的信息很容易被竊取，更嚴(yán)重的是計算機(jī)系統(tǒng)對外來的攻擊幾乎沒有抵御能力，來自懷有各種圖謀的黑客（包括釋放病毒者）很容易使計算機(jī)系統(tǒng)癱瘓。對于軍事、政府和金融等國家機(jī)要部門的計算機(jī)系統(tǒng)來說， 這種威脅直接關(guān)系到國家政治、軍事和經(jīng)濟(jì)的安全[1]。

本文基于北京多思公司自主研發(fā)的ASYM32 芯片，開發(fā)了面向工業(yè)控制的防危系統(tǒng)，并以工業(yè)中石灰窯煅燒進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了軟硬件產(chǎn)品的完全自主可控。

1 ASYM芯片介紹

北京多思公司自主研發(fā)的芯片ASYM32-1 是一款主要面向支付終端和通訊終端的 32 位嵌入式SoC 安全芯片。該芯片采用 32 位 ASYM CPU 內(nèi)核，提供有先進(jìn)的硬件加密和安全功能，同時集成了豐富的IO 接口類型，可做為主控CPU 芯片方便地實(shí)現(xiàn)各類安全終端設(shè)備的設(shè)計。

ASYM 是非對稱宏指令體系結(jié)構(gòu)，其芯片的邏輯關(guān)系和指令體系可由應(yīng)用改變。一個邏輯可支持多種算法配置，一個邏輯可支持多種指令編碼[2]。一個芯片在應(yīng)用中可以由使用者設(shè)置無窮的指令編碼，使得每一個裝備都具有“個性化”的體系（指令，數(shù)據(jù)）。在網(wǎng)絡(luò)中，攻擊者需要針對每一個設(shè)備實(shí)施攻擊，而不是像今天一樣 ：每一個設(shè)備的邏輯與指令都是相同的，攻擊者只要有一次成功的（病毒，木馬）攻擊，就可以實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備的成功攻擊。非對稱宏指令體系結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)就是威懾攻擊，使設(shè)計制造成本降低，性能提高。應(yīng)用安全 ：禁止反匯編、反編譯、信息竊取及攻擊。

2 工業(yè)防危

對于工業(yè)控制系統(tǒng)的安全而言，我們關(guān)注的焦點(diǎn)不應(yīng)只是在網(wǎng)絡(luò)安全（Security），保證信息本身的機(jī)密性和完整性，更為重要的是要關(guān)注工控系統(tǒng)安全問題可能對被控設(shè)備、乃至整個生產(chǎn)系統(tǒng)的破壞（本質(zhì)安全），關(guān)注工控系統(tǒng)自身的防危性（Safety）。根據(jù)對可信計算和安全計算概念的界定，衡量一個系統(tǒng)的可信程度包括可用性、可靠性、防危性、安全性、可維護(hù)性[3] 等相關(guān)特征。防危性是指系統(tǒng)可持續(xù)提供正常功能或不破壞其他系統(tǒng)和相關(guān)人員生命安全的方式中斷服務(wù)的概率?；诖?，這里提出的防危機(jī)制主要包括四個部分： 主動防危、實(shí)時防危、全局防危及自主防危[4]。主動防危，即提高系統(tǒng)的預(yù)測能力，提高系統(tǒng)主動防御能力；實(shí)時防危，即利用預(yù)設(shè)的規(guī)則，通過高效的計算，進(jìn)行實(shí)時現(xiàn)場異常檢測， 及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的異常操作和異常節(jié)點(diǎn)，做到對系統(tǒng)的實(shí)時現(xiàn)場異常檢測 ；全局防危就是對于較復(fù)雜的工控系統(tǒng)建立起系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型 ；自主防危即對工控系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)回歸。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

多思 ASYM32芯片采用的是forth編程語言，forth是一種可擴(kuò)展的，交互式的語言。最初為小型的嵌入式電腦設(shè)計的， 現(xiàn)在它幾乎可以在任何主流的芯片上解譯和編譯。由于 forth 采用地址流結(jié)構(gòu)，實(shí)行堆棧操作，代數(shù)運(yùn)算用逆波蘭表達(dá)式（將運(yùn)算符放在后面的表示方法）等，使其運(yùn)行速度很快，接近于匯編語言的速度，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時控制要求。forth的基本語言就是forth中的“詞”，“詞”的功能類似于其他高級語言的函數(shù)或子程序調(diào)用。而一般的高級語言中的函數(shù)、子程序、語句以及過程的概念，在forth中都不存在，它們?nèi)加?span style="line-height:1.5;">forth中的“詞”來替代。

利用forth編程語言，可實(shí)現(xiàn)基于 ASYM32的工業(yè)石灰石煅燒仿真系統(tǒng)，以用于模擬工業(yè)防危過程，圖 1所示是工業(yè)石灰石煅燒的系統(tǒng)圖。

圖 1 中，運(yùn)石量，運(yùn)煤量以及風(fēng)機(jī)流量為控制量，而窯頂溫度，煅燒區(qū)溫度以及出灰溫度為因變量。通過計算機(jī)模擬控制運(yùn)煤量、運(yùn)石量、風(fēng)機(jī)流量，實(shí)現(xiàn)石灰窯溫度狀態(tài)的變化，從而通過防危系統(tǒng)的規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)公式計算、趨勢分析以及狀態(tài)預(yù)測，從而反作用于控制量，同時實(shí)現(xiàn)告警和趨勢預(yù)測，拒絕危險動作等。具體的石灰石煅燒仿真系統(tǒng)如圖 2 所示，仿真系統(tǒng)與防危系統(tǒng)由兩個 forth 開發(fā)板來完成，而上位機(jī)顯示則直接用PC 來完成顯示。計算機(jī)與forth 開發(fā)板，開發(fā)板與開發(fā)板之間數(shù)據(jù)通信均通過串口RS 232 來實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗結(jié)果和分析 

通過多思公司提供的 ASYM_Compile_Project 軟件將編 寫好的防危系統(tǒng)程序以及石灰窯仿真系統(tǒng)程序編譯后，寫入 forth 芯片開發(fā)板運(yùn)行。實(shí)驗結(jié)果如表 1 所列。

在防危系統(tǒng)中預(yù)先輸入正常的定值以及計算公式和規(guī)則， 通過改變運(yùn)石量、運(yùn)煤量和風(fēng)機(jī)流量的值，實(shí)現(xiàn)了防危系統(tǒng)中單點(diǎn)、狀態(tài)、預(yù)測、趨勢、動作。由此可見工業(yè)控制防危系統(tǒng)在工業(yè)控制中有很好的應(yīng)用，且使用基于forth 編程語言的自主ASYM 芯片，更加提高了工業(yè)生產(chǎn)控制中的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

本文基于北京多思公司自主研發(fā)的ASYM32 芯片，利用forth 編程語言，開發(fā)了面向工業(yè)控制的防危系統(tǒng)，同時針對傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)中防危技術(shù)的不足進(jìn)行了改進(jìn)，以工業(yè)石灰窯煅燒進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了軟硬件產(chǎn)品完全自主可控的一套工業(yè)控制系統(tǒng)。