中国科学:信息科学2015年第45卷第6期:796–816
海云安全体系架构
章睿*,薛锐,林东岱
中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室,北京100093
*通信作者.E-mail:zhangrui@https://www.doczj.com/doc/0a12605505.html,
收稿日期:2014–10–31;接受日期:2014–12–03;网络出版日期:2015–04–20
国家自然科学基金(批准号:61402471,61472414,61170280)和中国科学院战略性先导科技专项(批准号:XDA06010701)资助
摘要21世纪的信息化进程,正以“彻头彻尾彻里彻外”的形式,以前所未有的速度、深度和广度,走向人类社会(人)与信息网络(机)、物理世界(物)彻底融合,并带来感知终端与人机交互终端(海)、新型网络技术(网)、云计算(云)的新型组合模式和使用模式趋势.把握“人、机、物”三元融合的发展趋势和机遇,创建和发展海云协同计算的新一代信息技术体系,最终实现“感知中国”的目标,已成为新一代信息技术发展的迫切需求.然而,任何信息系统的稳定运行,都离不开信息安全体系结构的构建.信息系统的安全体系结构直接关系信息系统安全策略的实现效果,它的合理与否直接影响信息系统的功能和运行.因此,构建基于海云三元融合复杂环境的安全体系架构,是保障海云创新试验环境稳定运行的首要前提和基础.本文从海云的概念入手,在提出海云信息体系结构的基础上,分析海云各层面临的安全挑战和安全需求,最终提出海云安全体系架构,为构建海云创新试验环境提供重要的理论依据和技术支撑.
关键词海云信息安全体系架构“人、机、物”三元融合异构网融合安全技术
1引言
“感知中国”是我国应对世界信息化变革浪潮的重大抉择,是中国信息化的新阶段.海云创新试验环境(以下简称为“海云”)是面向感知中国的新一代信息技术体系和先导技术研究的试验平台,是三元融合应用与业务模式创新研究的资源池和开发环境.通过海云的实施,将促进新一代信息技术的跨越式发展,推动新兴的信息通信技术战略性产业的形成,引领中国新一代信息技术创新进入国际领先行列.
信息系统的安全体系结构是系统安全功能定义、设计、实施和验证的基础.该体系结构应该在反映整个信息系统安全策略的基础上,描述该系统安全组件及其相关组件相互间的逻辑关系与功能分配.这种描述的合理性和准确性将直接关系信息系统安全策略的实现,确保其可用性、完整性、机密性、可认证性、不可否认性等安全特性[1].
海云网络中的三元世界信息融合、海量终端规模等特性,带来了多元身份标识与管理、隐私保护与监管能力的均衡、多源安全信息融合处理、可控可测的安全防护等新的安全问题,对信任体系、隐私保护、安全防护、监控监管等安全机制提出了新的挑战.因此,需要构建面向海云的可溯源、可控
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制、可验证的信息安全体系,从云端、海端、云海交互3个层面上保障云端数据安全、云端应用安全防护、海端可信终端构建、海端感知安全防护、海云交互安全等核心要素安全,并对海云信息安全体系进行整体的安全性分析与验证.
2海云体系架构
海云是一种是由感知节点和智能终端(海)、新型网络技术(网)、云计算平台(云)组成的超大规模分布式网络形式.它将无处不在的末端设备和设施,包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等,和“外在使能”的,如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”,通过各种无线或有线的长距离或短距离通讯网络实现互联互通、应用大集成、以及基于云计算的SaaS营运等模式,在内网、专网或互联网环境下,采用适当的信息安全保障机制,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持等管理和服务功能,实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化服务.
2.1海云的定义
海云是基于个人、组织机构和社会的需求,实现“人、机、物”之间按需进行信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务,网络具有超强的环境感知、内容感知及智能性,为个人、组织结构和社会提供无所不在的、无所不含的信息服务和应用.简言之,即人或设备能够不受时间、地域和技术限制地通信和获得服务.
从字面上分析,“海”指的是大量终端设备以及由这些设备产生或收集的海量数据;“云”指的是用于处理海量数据和为不同应用提供服务的各种云计算平台.
从网络技术上,海云是通信网、互联网、物联网高度融合的目标,它将实现多网络、多行业、多应用、多异构技术的融合和协同.如果说通信网、互联网发展到今天解决了人与人信息通信的问题,物联网则实现网络连接、接入、延伸到物理世界的泛在物联阶段,解决人与物、物与物的通信.通信网、互联网、物联网各自发展为海云的搭建奠定了的坚实基础,海云的最终目标将是通信网、互联网、物联网高度融合和协同.
2.2海云的组成部分
海云由“海、网、云”3个主要部分组成.海端的感知节点和智能终端是实现“人、机、物”通信的基础设施,也是海量数据的来源和收集者;传感网和互联网以及新型网络组成中间的网络层,负责海端和云端之间的数据和信息的传输;云端的云计算平台是实现海量数据处理的计算平台,并为大量终端提供各种云服务.
2.2.1海
“海”包括感知设备和所有的智能终端.感知设备是指射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,它们按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理.智能终端设备是指那些具有多媒体功能
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的智能设备,这些设备支持音频、视频、数据等方面的功能.如:可视电话、会议终端、内置多媒体功能的PC/PDA/手机等.
海端设备具有种类繁多、数量庞大(数量达数百万、数千万)的特点,并且运行于海端设备上的系统、软件以及数据的类型多种多样、设备的接入方式和信息的传输方式也各不相同.
2.2.2网
“网”包括传统的传感网和互联网以及多种新型网络,它们将各种终端设备以无线/有线方式连接在一起,将终端的数据传输到云端处理或为终端提供服务或数据传输功能.
因为“海”的所有权特性,海云应用在相当一段时间内都将主要在内网和专网中运行,形成分散的众多“物—物连接的网络”,最终走向互联网,形成真正的“海—云互联的网络”.海—云互联的网络由4大支撑网络组成.(1)短距离无线通讯网:包括10多种已存在的短距离无线通讯(如Zigbee、蓝牙、RFID等)标准网络以及组合形成的无线网状网(mesh networks).(2)长距离无线通讯网:包括GPRS/CDMA,3G,4G,5G等蜂窝(伪长距离通讯)网以及真正的长距离GPS卫星移动通信网.
(3)短距离有线通讯网:主要依赖10多种现场总线(如ModBus,DeviceNet等)标准,以及PLC电力线载波等网络.(4)长距离有线通讯网:支持IP协议的网络,包括计算机网、广电网和电信网(三网融合)以及国家电网等通讯网.
2.2.3云
“云”包含为海端提供服务和资源的各种云计算平台.云计算是一种新兴的基于互联网的计算方式,是网格计算、分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物.它是一种可以方便的、按需从网络中获取共享池中可配置计算资源的模型.这些计算资源可以是网络、服务器、存储、应用及服务等,可以通过最少的管理工作及最少的与平台提供商的交互在网络中快速提供与发布资源.和电网、自来水管网的形式类似,接入互联网的计算终端可以按需使用来自云计算平台提供商的软硬件资源,而不用关心“云”的细节,例如这些资源具体存放在什么地方,或者怎样提供.通过部署和使用云计算,可以减少企业和单位的使用成本,节约耗损开销,同时减少了数据由于没有备份而损坏或丢失的风险[2].
2.3海云的特点
海云的目的是构建更智能的无处不在的信息社会,包括新型终端网络、异构服务网络融合、可信与管理.海云的构建依赖于3个实体层的存在和互动.一是无所不在的终端单元;二是无所不在的基础网络;三是无所不在的网络应用.
相对于现有的网络,海云要求实现更透彻的感知,更可靠、更广泛的网络传送,和更智能的分析和处理.通过底层的全连通的、可靠的、智能的网络,以及融合的内容技术、纳米技术和生物技术,将通信服务扩展到教育、智能建筑、供应链、健康医疗、日常生活、灾害管理、安全服务、运输等行业,并为人们提供更好的服务,让人们享受信息通信的便利,让信息通信改变人们的生活,更好地服务于人们的生活.
(1)更透彻的感知.意味着部署更多类型的传感、识别和感知设备,未来这些无处不在的传感器、RFID、摄像头、二维码等是实现人与物、物与物“交流”、“对话”的基础.
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图1海云技术体系架构
Figure1The technical architecture of sea-cloud
(2)更广泛的网络传送.意味着海云网络的传送技术将包含各种有线、无线网络技术,并且IP网络将成为传送的核心网络,通过充分利用各种有线和无线网络技术,将可以实现更广泛的互联互通以及更广地域的感知信息传送.同时引入IPv6[3]是实现更广泛互联互通的基础,因为在海云网络环境下,将有海量的“物—物”接入,现有IP地址明显不足,IPv6的引入一方面可以解决地址空间不足的问题,另外通过IPv6的永远在线、移动性和安全性等新功能的支持,还将有利于创造更多的新应用.此外,将感知信息进行网络传送时,还需要同步考虑实现“人、机、物”之间通信的融合,实现“三网”融合的发展目标.
(3)更智能的分析和应用,也就是需要考虑采用云计算等分布式处理技术,对数据进行智能地分析和处理.对于海云网络应用,由于需要处理的数据可能跨各个行业领域,而且同时又考虑到各个行业应用的个性需求有所不同,因此可以引入“通用平台+子应用”或者“中间件”的概念.通过通用平台或者中间件实现公共信息的交换以及公共管理功能,各个行业的个性化应用将可以通过子应用的方式来呈现.
2.4海云参考模型
海云体系架构可以粗略地划分为3层,包括感知延伸层、网络传输层、以及业务应用层,其中的每一层又涉及诸多关键技术,如图1所示.
2.4.1感知延伸层
终端节点不仅能够提供事物本身的信息,而且能够探测、存储、处理乃至整合各种与事物相关的
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信息,从而向全网络提供各种关联信息.随着微电子技术、嵌入式技术、短距离通信技术、传感器技术、智能标签等技术的发展与成熟,现实世界中越来越多的物理实体需要自组织来实现智能环境感知并对其进行自动控制,并具备通信和信息处理的能力.网络的触觉不断得到延伸,越来越多的“物品”进入信息网络内部进行通信,接入信息通信网络的物理实体数量和范围可无限扩展,由传统的人与人的信息通信网络向人与物、物与物的信息通信网络拓展.
2.4.2网络传输层
任何终端节点在网络中都能实现互联.由终端节点组成的网络,如传感器网、RFID、家庭网、个域网、身体域网、车载网等,架构在基础通信网络上,形成一个广泛互联的网络.随着移动宽带化和宽带移动化的趋势,融合网络是网络基础设施的未来发展方向.海云网络要满足未来不同的信息化应用,要求基础网络具有不同安全可信等级和不同服务质量的网络能力.海云环境的使用者,可以在任何时间任何地方无障碍地使用信息通信网络.在这个网络中,通信不仅是人与人,其业务流还可能来自人与能感知客观环境的设备之间,以及设备和设备之间.
2.4.3业务应用层
海云将对信息进行综合分析并提供更智能的服务,推动人的智能、社会物质和能源资源潜力充分发挥,使社会经济运行向高效、优质的合理化方向发展.海云网络的智能业务为各种行业具体应用提供公共服务支撑环境.由于海云环境中的数据量巨大,各种业务用户的分布广泛,决定了海云中大部分的业务信息处理和服务由云计算平台来完成.云计算平台将分散的资源集中,并按需分配给各个用户.同时,云计算平台通过虚拟化技术将相同的资源提供给多个用户同时使用.但是云计算平台的海量信息、资源聚合和按需服务的特点,也使云平台的安全性和用户的隐私性成为目前主要关注的重点.
3海云面临新的安全挑战
安全是基于网络的各个系统运行的重要基础,海云环境的开放性、高度融合性也使它面临更多的安全隐患.海云的推广和应用需要在海云环境基本特征的基础上深入研究其安全问题.
海云是一个庞大复杂的分布式系统,它的“人、机、物”三元融合和网络的异构融合的特点使得海云面临的安全问题既包括互联网、物联网和云计算中同样的安全问题,也有它自身特有的安全问题,如异构网络的认证与访问控制问题、信任域管理问题、信息隐私问题以及网络的稳定和可靠性问题、如何实现上下联动和横向联动的安全协同等,主要体现在以下6点:
(1)异构网络间的认证问题.在海云环境中,不同网络间的业务使用非常频繁,这就要求海云环境除了网络与用户之间的相互认证之外,还必须要进行异构网络间的相互认证以及用户与为其服务的终端之间的相互认证,这样才能保证一个让用户放心使用且安全的网络环境.
(2)建立以用户为中心的信任域.在海云环境中,作为服务提供者(服务通常以云服务的形式提供)需要构建整合各种网络资源、信息装置、基础平台、应用内容及解决方案;而对于服务使用者,必须有一个让使用者放心且安全的环境,使其能随时随地、方便地建立以自己为中心的信任域来处理任何事情.其终端节点具有动态性、智能性,且多种接入方式和多种承载方式融合在一起以实现无缝接入.它要求任何对象(人或设备等)无论何时何地都能够通过合适的方式获得永久在线的宽带服务,随时随地存取所需信息.海云的这些特点,为我们提出了一个移动安全机制方面新的问题,即如何高效、便捷
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地建立以用户为中心的信任域.
(3)信任域的动态管理问题.海云网络的动态性是指以用户为中心的信任域中,终端会随时加入或退出,此时为有效地保障用户隐私,一般要求终端退出后不知道信任域中的信息交流和业务来往,而新加入的终端不知道进入信任域之前的任何信息,即保证前向安全性和后向安全性.
(4)信息隐私问题.信息隐私是海云信息机密性的直接体现,如感知终端的位置信息、基于数据挖掘的用户行为分析等.因此,要在海云的各个部分建立访问控制机制,控制信息采集、传递和查询等操作.信息的加密是实现信息机密性的重要手段,但是海云的多源异构性,使密钥管理成为一个较困难的问题,特别是对感知网络的密钥管理是制约海云保持信息机密性的瓶颈.
(5)网络的稳定性和可靠性问题.海云的感知互联过程要求网络具有高度的稳定性和可靠性.海云是与许多应用领域的物理设备相关连的,要保证“人、机、物”之间任何通信的稳定性和可靠性是一个需要重点关注的问题.
(6)多层联动协同安全问题.海云计算是一个庞大的分布式结构,对于它的安全防护所采用的技术是现有安全技术的松散耦合,如何实现上下联动和横向联动的协同安全,是实现海云安全体系架构的关键问题.
海云环境面临的安全问题可主要分为以下几个部分:
(1)感知延伸层的信息安全问题.海端的感知节点和智能终端具有多源异构的特点.感知节点通常情况下功能简单、携带能量少(使用电池),使得它们无法拥有复杂的安全保护功能.而感知网络多种多样,它们的数据传输和消息也没有特定的标准,所以没有办法提供统一的安全保护体系.
(2)网络传输层的信息安全问题.海云的核心网络具有相对完整的安全保护能力,但是由于海端节点的数量庞大,且以集群方式存在,因此会导致在数据传播时,由于大量设备的数据发送使网络拥塞,产生拒绝服务攻击.此外,现有通信网络的安全架构都是从“机—机”的角度设计的,对“人、机、物”三元融合的海云环境,需要建立适合于感知信息在“人、机、物”之间传输与应用的安全架构.
(3)业务应用层的信息安全问题.支撑海云业务的平台有着不同的安全策略,如云计算、分布式系统等,这些支撑平台要为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠和可信的系统,而大规模、多平台、多业务类型使海云业务层次的安全面临新的挑战.
综上所述,海云环境中感知信息、网络环境和应用需求的多样性,呈现出网络规模大、数据处理繁琐、决策控制复杂的特点,给海云安全体系的研究提出了新的挑战.这要求对海云环境各个部分的安全问题和特点进行具体分析,进而提出合适的安全体系结构.
4海云信息安全体系架构
对于海云的各个层次,我们将分别从安全挑战入手,分析其安全需求,给出合理的安全架构,最终提出海云安全体系参考模型.
4.1海云感知延伸层信息安全体系架构
海云感知延伸层的任务是感知外界信息,或者说是原始信息的收集器.该层的典型设备包括RFID 装置、各类传感器(如红外、超声、温度、湿度、速度等)、图像捕捉装置(摄像头)、全球定位系统(GPS)、激光扫描仪、手机、各类PC等.这些设备收集的信息通常具有明确的应用目的,因此传统上这些信息直接被处理并应用.但是在海云环境中,多种类型的感知信息可能被同时处理、综合应用,甚至不同
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的感知信息的处理结果将影响其他控制调节行为.同时,海云感知延伸层自身的特点,也带来了新的挑战.
4.1.1感知延伸层的安全挑战
感知延伸层中各级节点可能会遇到的安全挑战大致分为下列几种情况[4,5]:
(1)有限的存储空间和计算能力.海云感知延伸层资源有限的特性导致很多复杂、有效、成熟的安全协议和算法不能直接使用,特别是公钥密码体系.从存储空间上看,一对公钥的长度就达到几百个字节,还不包括各种中间计算所需要的空间;从时间复杂度上看,公钥密码算法所需的计算量大,这对内存和计算能力都非常有限的感知节点来说是无法完成的.
(2)缺乏后期节点布置的先验知识.在使用海云节点进行实际组网时,节点往往是被随机散布在一个目标区域中,任何两个节点之间是否存在直接连接在布置之前是未知的.
(3)布置区域的物理安全无法保证.海云的感知节点通常散布在无人监控的区域,使得其很可能遭到物理上或逻辑上的破坏或者俘获,所以感知延伸层安全设计中必须考虑及时撤除网络中恶意或被俘获节点的问题,以及因为恶意节点而导致的安全隐患问题,即敌手可能通过恶意节点俘获能与之通信的邻居节点,最终导致整个网络被攻破或失效.
(4)有限的带宽和通信能量.由于目前感知延伸层主要采用低速、低功耗的通信技术,这就要求使用的安全算法和安全协议所带来的通信开销不能太大.
(5)网络信息安全形式多样.海云环境中每个节点的功能具有多样性,节点不但具有检测和判断功能,而且又担负着路由转发功能.每个节点与其他节点通信时都存在信任度和信息保密的问题.除了点到点的安全通信外,还存在信任广播问题.基站向全网发布消息时,每个节点都要能够有效判定消息确实来自于有广播权限的基站.
(6)异构网络节点的标识、识别、认证和访问控制问题.感知延伸层节点之间的识别、认证和访问控制问题也是保障感知延伸层安全需要考虑的主要问题.由于感知延伸层的节点大多数都布控在无人监控的环境,且这些节点很容易被伪造和复制,敌手可能通过自己复制或伪造的节点向其他节点发送恶意消息.因此,感知延伸层的节点通信之前应该有识别、认证机制,同时在访问节点信息时也需要控制机制来保障节点上信息的机密性.但是在异构网络之间进行节点的互认证和访问控制需要考虑认证协议和访问控制策略的兼容性等问题.
(7)应用相关性.海云应用的领域非常广泛,不同的应用对安全性的要求也不同.许多商用系统更关注信息的保密性和完整性;对于军事领域,除了信息的可靠性外,还必须考虑抵抗恶意节点、异构节点入侵的能力.这就要求根据具体应用采用多样性、灵活的方式解决安全问题.
4.1.2感知延伸层的安全需求
针对上述安全挑战和安全问题,感知延伸层的安全需求可以总结为以下几点:
(1)机密性.典型的海云应用网络不应该泄露数据给邻居网络.在许多应用中,通信节点可能传递高敏感数据,因此必须使用加密机制对这些信息进行加密传输.同时,应该考虑因密钥泄露造成的影响,将损失尽可能控制在一个很小的范围内.此外,感知延伸层节点或设备的其他信息也会泄露设备持有者或拥有者的部分隐私信息,例如,设备的位置信息等,因此同样应该采取措施防止这些信息的泄露.
(2)真实性.感知延伸层节点的身份认证或数据源认证在海云的许多应用中是非常重要的.海云802
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环境中,接收者只有通过数据源认证才能确信消息是从正确的节点发出的.由于感知节点的计算能力、存储空间和通信带宽的限制,通常使用共享的对称密钥来进行数据源的认证.
(3)完整性.在通信过程中,数据完整性能够确保接收者收到的数据在传输过程中未被篡改或替换.在感知延伸层网络中,通常使用消息认证码来保证数据完整性.
(4)新鲜性.在感知延伸层网络中,基站和簇头需要处理大量节点发来的信息,为防止攻击者进行任何形式的重放攻击,必须保证每条消息的新鲜性.此外,新鲜性还体现在密钥建立的过程中,即通信双方所共享的密钥是最新的.
(5)扩展性.感知延伸层的感知节点数量巨大,分布广泛,环境条件、恶意攻击或任务的变化都可能影响感知延伸层网络的结构.同时,节点的加入或失效也会使网络的拓扑结构发生变化.感知延伸层网络的可扩展性表现在感知节点数量、网络覆盖区域、生命周期、时间延迟、感知精度等方面的可扩展极限.因此,给定感知延伸层网络的可扩展级别,安全解决方案必须提供支持该可扩展级别的安全机制和算法.
(6)可用性.感知延伸层的安全解决方案所提供的各种服务能够被授权用户使用,并能够有效防止恶意攻击.一个合理的安全解决方案应当具有节能的特点,各种安全算法和协议的设计不应过于复杂,计算开销、存储容量和通信能力也应当充分考虑网络资源有限的特点.同时,安全方案在有效防止网络攻击的同时不应限制网络的可用性.
(7)自组织性.由于感知延伸层网络大部分是由传感器节点以Ad-hoc方式构成的无线网络,它是以自组织方式进行组网的,这就决定了相应的安全方案也应当是自组织的,即在感知节点配置之前无法假定节点的任何位置信息和网络的拓扑结构.
(8)鲁棒性.感知节点的动态性和移动性,决定了安全解决方案应该具有健壮性和自适应性,能够随着应用的变化而灵活拓展.此外,当某些节点被俘获后,安全方案应当限制其影响范围,保证整个网络正常运行.
4.1.3感知延伸层的安全架构
基于以上对海云感知延伸层安全挑战和安全需求的分析,就较容易建立合理的安全架构.由于感知延伸层的安全是相对独立的问题,有些已有的安全解决方案在海云环境中也同样适用.但由于感知延伸层节点能力受限,要保证它的安全需求所涉及的密码技术包括轻量级密码算法、轻量级密码协议、可设定安全等级的密码技术等.
海云感知延伸层的安全机制包括以下几点:
(1)可信计算[6].用于保证终端设备的操作系统和应用软件的安全,防止可执行文件被恶意篡改,以及将信任链向外部网络扩展,保证感知延伸层设备和网络传输层设备的可信连接.
(2)漏洞扫描.对各种智能终端设备进行漏洞扫描,及时发现和修补系统和软件漏洞.
(3)加密算法.用于保证数据的机密性.可根据节点不同的计算和存储能力选择使用对称或非对称的加密算法加密要传输的数据.
(4)消息验证机制[7,8].包括消息的完整性验证和消息源的验证,即发送方在发送消息前采用合适的密码技术对消息产生校验和或者签名,使得消息的接收方能有效验证消息的完整性和来源.
(5)认证机制1).用于内部节点或内部节点与外部设备之间的相互认证.可根据节点能力选择对称密码或非对称密码方案解决.
1)Multi-factor authentication.https://www.doczj.com/doc/0a12605505.html,/wiki/Multi-factor authentication.
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图2感知延伸层的安全架构
Figure2The security architecture of perceptual layer
(6)密钥管理[9].用于保障通信的安全.在认证的基础上完成密钥协商是建立会话密钥的必要步骤.
(7)访问控制[10].用于防止各级节点设备上信息被未授权用户访问,以及控制用户对信息的读、写操作.
(8)入侵检测[11].通过收集和分析网络行为、安全日志、审计数据、以及其他网络上可以获得的信息,检查感知延伸层网络中是否存在违反安全策略的行为和被攻击的迹象,用于主动防范感知延伸层网络中可能的攻击.
(9)安全路由[12].采用IPSec协议、路由技术、VPN技术、防火墙技术等,达到任意两个节点之间安全通信的目的.它的功能包含带有包过滤和代理协议的防火墙功能;能够隐藏内部网络拓扑结构;支持路由信息与IP数据包加密;能够实现身份鉴别、数据签名和数据完整性验证;具有灵活的密钥配置、支持集中式密钥与分布式密钥管理;可有效防止虚假路由信息的接收与路由器的非法接入;能够阻止非授权用户的访问等.
(10)数据归档与自毁[13].定期对感知延伸层设备中的数据进行灾备,并对不再使用或报废设备中的数据进行销毁,防止敌手窃取信息.
综上所述,感知延伸层的安全架构如图2所示.
4.2海云网络传输层信息安全体系架构
海云网络传输层主要用于把感知延伸层收集到的信息安全可靠地传输到业务应用层,然后根据不同的应用需求进行信息处理,即网络传输层主要是网络基础设施,包括互联网、移动通信网和一些专业网(如国家电力专用网、广播电视网)等.在信息传输过程中,可能经过一个或多个不同架构的网络进行信息交换,由于每个网络架构的设施和标准不同,这就增加了异构网之间信息传输的安全隐患.
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4.2.1网络传输层的安全挑战
对于海云网络传输层的安全挑战,除了存在传统网络攻击外,由于不同架构的网络需要相互连通,因此在跨网络架构的安全认证方面会面临更大的挑战.因此,除了信道窃听、数据流信息、密钥和隐私信息泄露等安全问题,海云网络传输层的安全挑战大致分为3类:DoS攻击、DDoS攻击等拒绝服务攻击;假冒攻击、中间人攻击等网络攻击;跨异构网络的网络攻击.
目前的互联网或下一代互联网将是海云网络传输层的核心载体,多数信息要经过互联网传输,因此互联网中的各种网络攻击威胁仍然存在,特别是DoS攻击和DDoS攻击,需要采用更好的防范措施和灾难恢复机制,减小网络攻击造成的损失.考虑到海云连接的终端设备性能和对网络需求的巨大差异,对网络攻击的防护能力也有很大差别,因此很难设计通用的安全方案,应针对不同网络性能和网络需求采取不同的防范措施.
4.2.2网络传输层的安全需求
网络传输层中,异构网络的信息交互将成为安全性的脆弱点,特别是在网络认证方面,难免存在中间人攻击和其他类型的攻击(如异步攻击、合谋攻击等).这些攻击都需要有更高的安全防护措施.海云网络传输层的安全需求可概括为以下几个方面:
(1)数据的机密性.即保证数据在传输过程中不泄露其内容.
(2)数据的完整性.即保证数据在传输过程中不被非法篡改,或非法篡改的数据容易被检测出.
(3)数据流的机密性.某些应用场景需要对数据流量信息进行保密,防止敌手从中推测出有用信息,目前只能提供有限的数据流机密性.
(4)隐私信息的机密性.对于某些特殊应用需要考虑隐私泄露问题,特别是与个人绑定的手持终端或者用于军事、电力系统的感知设备和智能终端,在接入互联网时需要保持设备标识和用户身份的匿名性;传输路径和平台配置信息的机密性等.
(5)网络和节点的可用性.DDoS攻击是网络中最常见的攻击现象,在海云网络环境中将更为突出.因此,需要对脆弱节点的DDoS攻击进行防护,保证节点和网络的可用性.
(6)移动网中认证与密钥协商机制的一致性或兼容性.是指通信双方在完成相互认证的同时也完成了会话密钥的协商,这样可以提高通信效率,降低通信量和计算量.
(7)域内、网内节点的可认证性.是指同一安全域或者网络架构内部的节点通信之前需要进行相互认证,确定通信对方的身份,阻止非法节点接入.
(8)域间可认证性和异构网间可认证性.是指存在于两个不同安全域或网络架构的通信双方可以相互认证,这需要考虑不同域或网络架构中安全机制和策略的融合问题.
4.2.3网络传输层的安全架构
网络传输层的安全机制可分为端到端的安全机制和节点到节点的安全机制.对于端到端的安全机制,需要建立端到端的认证机制、密钥协商机制、密钥管理机制和数据验证服务.对于节点到节点的安全机制,需要节点间的认证和密钥协商协议,这类协议需要重点考虑效率因素.对于跨网络架构的安全需求,需要建立不同网络环境的认证衔接机制.另外,根据业务应用层的不同需求,网络传输模式可能区分为单播通信、组播通信和广播通信,针对不同类型的通信模式也应该有相应的认证机制和机密性保护机制.简言之,网络传输层的安全机制主要包括以下几个方面:
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(1)可信接入[14,15]与平台的远程证明[16].无论是海端的感知设备或智能终端接入网络,还是云端的计算平台接入网络都需要进行可信的远程证明过程.通信双方的终端平台通过远程证明向对方平台证明自己拥有的属性,使得平台的可信向网络进一步延伸,从而防止运行恶意程序的终端接入网络窃取信息.
(2)加密算法.用于防止传输过程中数据被攻击者窃听和篡改,保证数据传输(无线/有线)过程中的机密性.
(3)消息验证.包括消息的完整性验证和消息源的验证,即发送方在发送消息前采用合适的密码技术对消息产生校验和或者签名,使得消息的接收方能有效验证消息的完整性和来源.对于节点到节点的情况,消息验证应根据实际需要选择.
(4)隐私保护.对于隐私信息的保护需要针对保护内容的不同采用不同的安全技术,例如对于设备标识信息的保护,应采用匿名认证的方式;对路由信息的保护,应采用安全的、隐私保护的路由方式[17];对平台属性配置信息的保护,应采用的远程匿名证明[16]的方式等.
(5)网络攻击检测与防护.采取相应的网络攻击检测方法对网络进行实时监控,防止各种网络攻击,包括各种DOS攻击,确保网络中各级设备的可用性和数据的可达性.
(6)密钥管理.在认证的基础上完成密钥协商是建立会话密钥的必要步骤.此外,还需要保证密钥在产生、分发、存储、更新、销毁过程中的安全性.
(7)域内节点认证和访问控制.传输节点之间要进行身份认证和访问控制,阻止非法用户和设备的接入和访问,同时对各个设备进行读取控制,限制它们的访问权限,防止网络中的数据被未授权的用户访问.
(8)跨域节点认证和访问控制[18].需要考虑认证机制、访问控制策略和所采用的密码算法的融合或兼容的问题.
(9)安全路由.与感知延伸层类似.采用IPSec协议、路由技术、VPN技术、防火墙技术等,达到任意两个节点之间安全通信的目的.它的功能包含带有包过滤和代理协议的防火墙功能;能够隐藏内部网络拓扑结构;支持路由信息与IP数据包加密;能够实现身份鉴别、数据签名和数据完整性验证;具有灵活的密钥配置、支持集中式密钥与分布式密钥管理;可有效防止虚假路由信息的接收与路由器的非法接入;能够阻止非授权用户的访问等.
综上所述,网络传输层的安全架构如图3所示.
4.3海云业务应用层信息安全体系架构
海云业务应用层是对信息到达处理平台后,根据不同的业务应用,对信息进行处理,然后为平台用户提供各种应用.云计算平台是海云业务应用层的主要信息处理和提供应用服务的平台,因此云计算的安全挑战也是海云业务应用层面临的主要安全挑战.
传统的访问控制、数据传输和存储加密、身份认证、系统安全加固、漏洞扫描、安全配置管理等机制都可以在一定程度上解决计算机和网络存在的安全问题,但是云计算自身的特点为这些安全机制带来了新的挑战[19～21].
(1)庞大的用户群和海量的数据.和传统的网络服务相比,云计算服务的用户群非常庞大,而且需要存储海量的数据.这就为用户的身份认证、密钥管理、并发处理等方面带来了很大的挑战.如何在大量并发的数据处理中还能够高效地完成数据的加解密、访问控制,特别是用户的隔离、数据的隔离等等,都是需要解决的问题.
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图3网络传输层的安全架构
Figure3The security architecture of network layer
(2)高性能和可靠的计算服务.云计算环境中资源高度集中和多租户共享的特点,导致资源的使用者和所有者分离,为有效地控制资源的授权使用、确保云服务的可用性、可靠性提出了严峻的挑战,亟需建立云服务可用性保障机理和可验证的安全机制.
(3)可信保证.云计算中的虚拟化技术对可信验证带来挑战.可信计算技术可以保证用户身份的真实,也可以保护数据的完整性.但是在虚拟化环境中,一些物理设备中不可变的属性会因为虚拟化的出现而变得容易修改.例如在数据版权和保护的验证中,有些数字内容的版权是通过传统计算机中的固定的硬件特征(如MAC地址等)进行保护.如果这些特征发生变化,受保护的数字内容将无法继续使用.但是在虚拟化服务器中,多个虚拟机共享一个实体机器,每个虚拟机会被分配到虚拟的硬件特征,此特征是可容易更动或是伪造的,数字版权的保护将成为一大问题.
(4)云的多种部署模式.云服务有公有云、私有云、社区云和混合云等多种部署模式.和私有云、社区云相比,所有用户都可以使用公有云提供的服务.因此一旦发生信息泄漏,将会带来很严重的影响.然而,混合云面临的安全威胁更为严峻.在混合云中,私有云和公有云会通过某些机制联系在一起.由于私有云服务于组织内部,里面通常会保存组织内部的敏感数据.私有云和公有云的结合,不仅可能会使私有云中的敏感数据泄漏到公有云中,还可能会导致公有云中的应用破坏私有云中数据的完整性.这些现实问题都给云计算中的数据安全带来了挑战.
4.3.1业务应用层的安全挑战
针对以上云计算模式下新的安全挑战,以下列举了基于云计算的海云业务应用层可能遇到的安全问题[22～24].
(1)虚拟机自身的安全问题[25].虚拟机技术将计算机物理资源表示成若干个虚拟域,每个虚拟域
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都可以运行独立的操作系统作为一台独立的计算机进行工作和对外提供服务.虚拟机的体系结构本身可以增强虚拟域操作系统的安全性,因为它对虚拟域中的应用是透明的,这些运行在虚拟域中的应用程序通常无法发现自己运行在虚拟域环境中.根据虚拟机的隔离机制,一个虚拟域中的恶意程序不会影响到其他虚拟域,也很难影响到虚拟机监控器和真实的硬件设备.而且通过虚拟机架构中用于管理功能的特权域,可以对其他虚拟域中的操作系统和应用程序进行监控和扫描.这些都增强了虚拟域的安全性.但是,这种对安全增强的前提是虚拟机具有严格的隔离机制.BlackHat在近几年提出了多种攻击Xen虚拟机监控器的方法[26],这些攻击都展示出虚拟机监控器的脆弱性和其安全系统的复杂性.而事实上,几乎所有的主流虚拟机都存在安全漏洞.这就使得虚拟机安全和云计算安全成为空谈.虚拟机体系结构带来的主要安全问题有:虚拟机逃逸、特权域安全、虚拟机监控器安全、虚拟域的安全迁移、拒绝服务等.
(2)操作系统安全漏洞[27].用户接入云计算服务获得计算资源时,会获得一个虚拟域的使用权限.运行在虚拟域中的操作系统和真实的操作系统一样会存在自身的安全漏洞.目前的云平台提供商提供的常见的虚拟域操作系统有包括Windows,Linux等在内的多个版本,但是这些操作系统都存在安全漏洞.Microsoft每个月都会为Windows发布多个安全补丁,而Linux的内核也经常被报告存在安全漏洞.在发布补丁或提出解决方案之后,管理员需要及时修复系统漏洞.而在补丁或解决方案在发布之前,操作系统将处于危险状态.
(3)共享虚拟化资源池安全问题[28].云计算环境是多用户环境,所有用户的数据都在云中存储和处理.如果数据不能有效地隔离将会导致用户私人数据被其他用户盗取、篡改、破坏.这就要求不同用户的数据必须做到严格的隔离,防止用户读写他人的文件.用户提交的计算作业首先被分配在共享虚拟化资源池中.如果不能保证这些计算作业是由可信的用户提交到资源池,将会导致资源池中的所有共享资源被盗取、篡改以及破坏的危险.动态的资源在使用完毕或失效后需要立即销毁,否则将会造成信息泄漏的危险.
(4)数据丢失和数据不一致性.在普通的计算机中,磁盘的物理损坏可能会造成用户数据的丢失,云存储也是如此.用户的数据最终存放在存储介质中,如果存储介质因为供电或使用寿命等原因造成物理损坏,也会造成数据的丢失.冗余机制和灾难备份机制可以在很大程度上保护用户的数据不会因为存储介质的损坏而丢失.
云存储的底层使用的是存储阵列,用户的数据会被分块存储到不同的物理设备中,并存在冗余备份.同时考虑到灾难备份的机制,数据还可能同时存储在外地的数据中心中.当用户的数据更新后,存在不同数据中心的数据可能不能即时同步.如果同步时间过短又可能会增加网络负载.这就要求需要通过版本控制对数据进行标记和保护,防止发生数据的不一致性.
(5)网络攻击.传统的网络安全只专注在实体网络环境的防护,但是在云计算和虚拟化的背景下,虚拟的网络也会带来很多的安全问题.而传统的网络安全问题在云计算中依然存在.
虚拟网络中的攻击.不同的虚拟机有不同的虚拟网络实现机制.有的虚拟机中,不同虚拟域使用各自独立的网络接口,这就可以根据安全级的不同做到隔离.有的虚拟机中,多个虚拟域共享网络接口,当数据包到达虚拟机后,虚拟机再根据数据包的头部信息进行转发.软件实现的虚拟交换机或集线器的设计或实现的缺陷会使数据包嗅探成为可能,一个虚拟域将能够获取其他虚拟域的网络数据包.传统实体主机的对外传输封包需离开主机本体,因此可通过位于外部的网络安全设备对封包内容进行安全检查.而虚拟化架构下的网络缺乏传统实体主机的网络安全防护机制.在虚拟网络中,虚拟机之间的流量并未被任何的网络安全设备检查,而直接通过虚拟机内部的虚拟交换机、虚拟集线器进行转发或传播,因此虚拟机间的攻击、入侵将无法通过外部的网关进行检查和拦截,因此也很难避免虚拟机
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间蠕虫的快速扩散.
拒绝服务攻击.和虚拟机安全问题中提到的拒绝服务攻击不同,拒绝服务攻击不仅可以攻击具体的一个虚拟机,也可以对云计算平台提供商的网络进行攻击,造成云计算服务的网络瘫痪.拒绝服务攻击也可以针对一些具体的应用,例如,如果云计算服务的用户身份认证服务器被攻击,虽然用户的虚拟机依然能够运行,但是用户却因为无法通过身份认证而无法正常进行管理、维护和使用.这就要求云计算服务必须能够抵御拒绝服务攻击,维护正常的服务.
(6)信道窃听.云计算是面向是公众的服务,因此很容易发生假冒、窃听等黑客攻击行为.即使云计算平台提供商自身提供的服务是安全的,用户使用的计算终端也是安全的,但是由于通信的信道很容易被窃听,传输的数据包可能会被非法篡改,使用户和云计算平台提供商接收到的数据的机密性和完整性受到破坏.通过建立安全信道可以避免这样的安全威胁.在用户和云计算平台提供商建立连接的时候,双方需要互相确认身份,并在此基础上协商会话密钥.之后的通讯数据将通过密钥加密,防止窃听和篡改的发生.
(7)密钥、密码的丢失和泄露.用户使用云计算服务时,需要通过身份认证才能登录到云平台中进行管理和设置.如果用户的密码被攻击者获取,那么攻击者就可以登录进入云平台获取用户的敏感信息和破坏用户的数据.而如果系统管理员的密码被泄漏,则可能会影响到云计算平台中所有用户的数据.如果密钥被泄漏,那么通过密钥加密的数据也会被泄露.虽然目前的动态口令、证书等机制能够在一定程度上保证用户的安全登录,但是现在依然有很多钓鱼网站能够诱导一些用户泄漏个人信息(如网络银行的密码、动态口令等).
(8)云计算API的安全问题.云计算提供的服务主要有IaaS,PaaS和SaaS等.普通用户使用最多的是SaaS,而这些SaaS应用服务都是基于云计算平台API进行开发的.而对于其他的服务形式,用户也需要使用云计算平台API进行管理和交互.如果这些API存在漏洞,或者使用这些API进行开发的软件存在漏洞,同样会导致数据的泄漏或者破坏.因此,这些API接口的设计必须能够防御意外和恶意企图的政策规避行为,以确保强用户认证、加密和访问控制的有效.
(9)云服务的可靠性问题.云计算环境下,各种软、硬件资源以服务的形式提供给用户,这种资源的所有权和控制权分离的特点,导致云服务提供商对资源的控制和管理更加困难,租户的隐私信息更容易泄露.因此,需要有效地控制租户对资源的使用、保证云服务的可用性、可靠性的机制,同时保护服务过程中用户隐私信息.
(10)云计算安全中的其他问题.除了前面提到的技术类问题之外,还有一些云计算安全涉及的非技术类问题,例如云计算的标准、平台的监管等等.
云计算领域发展速度非常迅猛,但是相关的测评体系、技术标准却并不完善,这就给云计算服务的统一带来很大的困难.要实现云安全软硬件的标准化,就必须建立相关的质量体系、测评指标和标准规范.我国已经启动了关于云计算的一些标准(如:《云计算参考架构》[29]、《云计算数据中心参考架构》[30]等)的起草工作,但是关于云计算安全方面的标准依然空缺.
云计算的模式使得平台提供商的权利巨大,用户很难进行监督,这就导致用户的权利难以得到保证.确保和维护两者之间平衡,不仅需要技术手段,还需要有国家级的监管和第三方审计.当缺乏对云供应商程序和流程认识的时候,恶意内部人员的风险就会加剧.企业应该了解供应商的信息安全和管理政策,强迫其使用严格的供应链管理以及加强与供应商的紧密合作.同时,还应在法律合同中对工作要求有明确的指定说明,以规范云计算运营商处理用户数据等这些隐蔽的过程.
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4.3.2业务应用层的安全需求
基于云计算的海云业务应用层的安全需求可主要归纳为以下几点:
(1)云平台的可靠性.可靠性是指系统能够安全可靠运行的一种特性,即系统在接收、处理、存储和使用信息的过程中,当受到自然和人为危害时所受到的影响.系统的高可靠性是云计算系统设计的基本要求.Google电子邮件服务中断、微软云计算平台Windows Azure运行中断、亚马逊的“简单存储服务”(simple storage service,S3)中断等问题都可以归结为是云计算系统可靠性设计的不足造成的.
(2)云服务的可用性.可用性指授权个体可访问并使用其有权使用的信息的特性.安全的云计算系统应允许授权用户使用云计算服务,并在系统部分受损或需要降级使用时,仍能为授权用户提供有效的服务.为保证云计算平台可用性的需求,涉及的安全机制包括标识与认证、访问控制、数据流控制和审计等.
(3)云服务的可靠性.服务的可靠性是指,云计算平台忠实地执行租户的计算指令,以及返回正确的计算结果.云服务提供商应该有充足的证据让租户确信云端提供或使用的软件正确可靠的得到了运行,租户的要求被正确执行.云服务的可靠性问题可以使用审计、可信计算和可验证计算等技术来保证.
(4)数据的机密性.机密性要求信息不被泄露给非授权的用户、实体或供其利用.为保证云计算平台中数据的机密性,首先要加强对相关人员的管理.其次,利用密码技术对数据进行处理.此外,云平台设施要能够防侦听、防辐射,并要利用限制、隔离、掩蔽、控制等措施保护数据不被泄露.
(5)数据的完整性.完整性是指系统内信息在传输过程中不被偶然或蓄意地删除、修改、伪造、乱序、重放、插入等以造成破坏和丢失的特性.为保证存储、传输、处理数据的完整性,可采用分级存储、密码校验、纠错编码、安全协议等方法.
(6)不可抵赖性.不可抵赖性也可称作不可否认性,指在信息交互过程中,明确厂商及用户的真实同一性,任何人都不能否认或抵赖曾经完成的操作和承诺.由于云计算制度的不完善,云提供厂商和用户之间可能会在非技术层面产生各种纠纷,对此,云计算平台可以通过可信第三方机构来协调供应商和用户之间的业务,并可利用密码技术来防止发送方和接收方事后否认已发送或接收的信息.
(7)可控性.可控性指系统对其数据应具有控制能力.云计算平台应对服务或数据传播的内容、速度、范围、方式等进行有效控制,以增加系统的扩展性、有效性和容错能力.
4.3.3业务应用层的安全架构
基于云计算的海云应用面临的信息安全问题主要包括两个方面,一是云计算服务自身存在的安全隐患;二是通过云计算为客户及其具体应用提供服务时的安全隐患,涉及访问控制、权限管理、数据隔离、数据恢复、计算可靠性验证以及第三方审计、法律法规等各方面.因此,必须针对云计算平台提出科学的安全策略,保证云计算安全和服务应用安全.
(1)通过风险评估建立公有云和私有云.云端的安全防护不同于一般系统的防护,海云用户在使用云计算中的服务之前应该对海云数据和应用服务风险进行评估分析,根据评估结果划分出公有云和私有云,并根据服务的重要性划分安全等级.
(2)建立可信云[31,32].使用可信计算技术建立企业可信云.可信计算是由可信模块到操作系统内核层,再到应用层依次建立信任关系,并在此基础上,扩展到网络中建立信任链.通过对系统启动过程中可执行文件的验证,来阻止病毒和木马的入侵.在云计算平台中同样可以通过可信模块建立从硬件到软件,再到云应用的可信链,从而建立可信的云计算平台.
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图4基于云计算平台的业务应用层安全架构
Figure4The security architecture of cloud-based application layer
(3)安全认证.安全认证可采用单点登录认证[33]、强制用户认证、代理、协同认证、资源认证、不同安全域之间的认证或者不同认证方式相结合的方式.对于用户的认证应采用强制用户认证和单点用户认证相结合的方式来允许用户进入云应用的,这样可以防止用户在使用自己的服务时将密码泄露给第三方.
(4)数据加密及相应的密码机制.数据的机密性是云计算安全的基本要素之一.而数据的机密性主要通过加密的方式来保证.无论是用户还是存储服务提供商,都要对文件数据进行加密,这样既保证文件的隐私性,又可以进行数据隔离.但是,在确保了用户数据安全的同时,还需要提供其他的密码机制以保证密文数据的可用性.涉及的密码技术包括:可搜索加密[34,35]、同态加密[36]、属性加密[37,38]、谓词加密[39]等.
(5)建立云服务可用性保障机理和可验证的安全机制.可靠性和可用性是云计算平台高质量服务的基础.云服务提供商应该有充足的证据让租户确信所要求的服务和计算被正确执行.此外,还要保证服务随时随地在线,业务连续运行和随租随用的便利.这方面需要的安全技术包括:计算可靠性验证[40,41]、分析检测方法[42]、系统分析恢复方法[43]和系统安全加固[44]等.
(6)访问权限控制[45,46].云计算服务提供商应该对不同级别的用户提供不同的访问权限,以防止高安全级别的数据被低安全级别的用户访问.
综上所述,基于云计算平台的海云业务应用层的安全架构如图4所示.
4.4海云安全体系参考模型
综合以上对海云三层体系结构的分析,海云安全体系参考模型如图5所示.感知延伸层的安全机制需要针对海端节点和网络设备的多样性和移动性,及其计算和存储能力的限制采用合理的安全技术.网络传输层的安全机制需要区分不同的网络架构,针对不同的传输方式提出防范网络攻击特别是DoS攻击的方法.此外,异构网络之间的互认证和安全机制的融合也是考虑的重点.业务应用层的安全机制应主要针对云计算的特点带来的安全问题,提出相应的安全机制和解决方案.
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图5海云安全体系参考模型
Figure5The reference model of sea-cloud security architecture
密码技术是保证系统机密性、完整性和可用性的基本安全技术,包括密码算法、密码协议和其他密码机制.但是密码技术的使用会增加系统的计算量和存储量,因此在提出安全策略时,需要根据系统设备的特点,权衡安全技术和系统效率之间的关系.由于海端大多数设备都使用电池供电,且计算、存储和通信能力有限,因此对于海端设备和网络应采用轻量级的密码算法和密码协议,例如,对称加密算法、消息验证码等,来保护其安全性.而对于云端的设备具有较高的计算性能、存储能力和通信带
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宽,因此可采用较复杂的密码算法和密码协议,例如,公钥加密算法、基于证书的远程证明协议等,来保障云端数据和服务的安全性.
海云信息安全体系结构是一个“三纵五横”的结构,“三纵”分别是海、网、云3部分基础架构;“五横”从底至上分别是物理安全、系统安全、网络安全、应用安全和数据安全.此外,为了保证海云环境的安全运行,除了提出这5层安全体系外,还需要对海云制定安全管理标准,并按照制定的标准建立、运行和维护海云环境.
5总结
本文首先对海云的定义、组成部分、特点以及参考模型等方面作了详细的介绍,然后深入分析了在新的网络环境下海云面临的安全挑战,最后给出了每一层的安全体系架构和海云总体安全体系架构,以期能为海云创新试验环境的构建提供安全参考.
由于篇幅限制,这里并未对构建海云安全体系架构所涉及的各种安全技术做详细介绍,有兴趣的读者可以参考文后列出的相关参考文献.
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State Key Laboratory of Information Security,Institute of Information Engineering,Chinese Academy of Sci-ences,Beijing100093,China
*E-mail:zhangrui@https://www.doczj.com/doc/0a12605505.html,
Abstract The processing of information in the21st century is moving towards a consolidation of human so-ciety(human),information networks(cyber),and the physical world(physical)completely fused with total and absolute form and unprecedented speed,depth,and breadth.This supports the trend towards a novel combina-tion and the usage patterns of sensing and human-computer interaction terminals(sea),new network technology (network),and cloud computing(cloud).Seizing the trend and opportunity of the ternary integration of human-cyber-physical,establishing and developing the new generation of information technology architecture of sea-cloud collaborative computing,and ultimately realizing the goal of sensing China,has become an urgent demand for the new generation of IT development.However,the stable operation of any information system requires the es-tablishment of an information security architecture.The security architecture of an information system is directly related to the in?uence of a security policy and a?ects the function and operation of the systems.Therefore, building the security architecture of sea-cloud based on the complex environments of the ternary integration of human-cyber-physical is a critical prerequisite and foundation for guaranteeing stable operation of a sea-cloud innovative experimental environment.This paper?rst introduces the concept of sea-cloud and then analyzes the security challenges and requirements that each layer of sea-cloud faces based on the proposed information architecture.Finally,we build a security architecture for sea-cloud to provide an important theoretical basis and technical support for establishing a sea-cloud innovative experimental environment.
Keywords sea-cloud,information security architecture,ternary integration of human-cyber-physical,conver-gence of heterogeneous network,security technology
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大数据处理平台及可视化架构设计说明书 版本：1.0 变更记录
目录 1 1. 文档介绍 (3) 1.1文档目的 (3) 1.2文档范围 (3) 1.3读者对象 (3) 1.4参考文献 (3) 1.5术语与缩写解释 (3) 2系统概述 (4) 3设计约束 (5) 4设计策略 (6) 5系统总体结构 (7) 5.1大数据集成分析平台系统架构设计 (7) 5.2可视化平台系统架构设计 (11) 6其它 (14) 6.1数据库设计 (14) 6.2系统管理 (14) 6.3日志管理 (14)
1 1. 文档介绍 1.1 文档目的 设计大数据集成分析平台，主要功能是多种数据库及文件数据；访问；采集；解析，清洗，ETL，同时可以编写模型支持后台统计分析算法。 设计数据可视化平台，应用于大数据的可视化和互动操作。 为此，根据“先进实用、稳定可靠”的原则设计本大数据处理平台及可视化平台。 1.2 文档范围 大数据的处理，包括ETL、分析、可视化、使用。 1.3 读者对象 管理人员、开发人员 1.4 参考文献 1.5 术语与缩写解释
2 系统概述 大数据集成分析平台,分为9个层次，主要功能是对多种数据库及网页等数据进行访采集、解析，清洗，整合、ETL，同时编写模型支持后台统计分析算法，提供可信的数据。 设计数据可视化平台 ,分为3个层次，在大数据集成分析平台的基础上实现大实现数据的可视化和互动操作。
3 设计约束 1.系统必须遵循国家软件开发的标准。 2.系统用java开发，采用开源的中间件。 3.系统必须稳定可靠，性能高，满足每天千万次的访问。 4.保证数据的成功抽取、转换、分析，实现高可信和高可用。
云计算平台设计参考架构 在私有云当中，主要包含以下几个组件：物理基础架构、虚拟化层、服务自动化层、服务门户、安全体系、云API和可集成的其它功能。（如图私有云参考架构） 图3.4 私有云参考架构 a) 物理基础架构 物理架构的定义是组成私有云的各种计算资源，包括存储、计算服务器、网络，无论是云还是传统的数据中心，都必须基于一定的物理架构才能运行。
在私有云参考架构中的物理基础架构其表现形式应当是以资源池模式出现，也就是说，所有的物理基础架构应当是统一被管，且任一设备可以看成是无状态，或者说并不与其它的资源，或者是上层应用存在紧耦合关系，可以被私有云根据最终用户的需求，和预先定制好的策略，对其进行改变。 b) 虚拟化层 虚拟化是实现私有云的前提条件，通过虚拟化的方式，可以让计算资源运行超过以前更多的负载，提升资源利用率。虚拟化让应用和物理设备之间采用松耦合部署，物理资源状态的变更不影响到虚拟化的逻辑计算资源。且可以根据物力基础资源变化而动态调整，提升整体的灵活性。 c) 服务自动化层 服务自动化层实现了对计算资源操作的自动化处理。它可以集中的监控目前整体计算资源的状态，比如性能、可用性、故障、事件汇总等等，并通过预先定义的自动化工作流进行
相关的处理。 服务自动化层是计算资源与云计算服务门户相关联的重要部件，服务自动化层拥有自动化配置和部署功能，可以进行服务模板的制定，并将服务内容和选择方式在云计算服务门户上注册，用户可以通过服务门户上的服务目录来选择相应的计算资源请求，由服务自动化层实现服务交付。 d) 云API 云应用开发接口提供了一组方法，让云服务门户和不同的服务自动化层进行联系，通过云API，可以在一个私有云当中接入多个不同地方的计算资源池，包括不同架构的计算资源，并通过各自的服务自动化体系去进行服务交互。 e) 云服务门户 云服务门户是用户使用私有云计算资源的接口，云服务门户上提供了所有可用服务的目录，并提供了完善的服务申请流程，用户可以执行申请、变更、退回等计算资源使用服务。
研发部组织架构岗位职责8362418 第 1 门门位门门;门部研,门位门门及任门要求门位门门共 7 门第 1 门门门门构;门部研,门门门及人门门制构门门门构共 1 门 文件门号门制部门门制 文件门号门制部门门制门制日期版本/修改门状门核 门制日期版本/修改门状门核修改日期生效日期批准 修改日期生效日期批准 门门理助理 助理工程门助理工程门技门门门料门 部门门理 本部门门制人, 20 门目门理、门门理助理人11 、部门门理人22 、门目门理人32 、平面门门门人42平面门门门门子工程门门工程门构、门子工程门人53 、门工程门构人63 、助理工程门人74 、技门门人82 、门料门人91 门位名称门门理助理门位门制代门门位1人 直上门属门门理直下门属部门门理 任门/培门要求 任门要求, 、相门门门～本科门以上～学1 、相门工作门门年以上～25
第 2 门、熟悉门管理系门流程。研3门位门门;门部研,门位门门及任门要求门位门门共 7 门 培门要求,文件门号门制部门门制 、企门门品相门的新技门、新政策培门～1门制日期版本/修改门状门核、先门门管理系培门～研体2 修改日期生效日期批准、门门门理人的相门培门。4 门限范门 、公司管理、门展策～参与划1 、门直下门的门效薪门考核及人事门门批～属异2 、门制造系门部门技门文件、门品门量的门控～3 、门料管理的门批。4 门门门明a) 主管公司技门工作～全面门门门中心的日常管理工作～门门公司政策～门行和完成公司下的研达 工作任门。 a)门门公司门品门门、新门品门制、技门改造和门工作。研 b)制定公司门门及本部门工作门～合理安排部门门工的工作～制定相门门位门门及考核门准门门研划划并 门考核。 c)了解全球投影门的门及未门门～门门门行家科技法门和政策～建立健全相门管理制度。状来国 d)提出门门金门算门～门核各门支出的合理性～掌握门算门行情。研划况 e)门门相门部门门系～门门中心门造良好的门门境。研研 f)门门门目门行前期的市门分析和技门门～制定门门的门目门门周期表～按门按门完成门任门。研研划研
第一节质量管理体系及组织架构 一、质量管理体系体系及检查程序 施工质量检查程序： 建立由项目经理领导，由技术负责人策划、施工负责人组织实施，各职能部门中间控制检查验收、各专业分包队伍参与检查验收的管理系统，形成项目经理部、各专业承包商/专业化单位和施工作业班组的质量管理保证体系。现场质量检查程序见下图。 现场质量检查程序
二、质量管理组织机构及职责 ＜1＞质量管理组织机构 质量管理组织机构图 根据施工质量管理组织机构图，建立项目岗位质量责任制，明确
职责分工。本工程项目主要管理人员的质量管理职责如表。＜2＞质量管理职责
＜3＞质量管理制度 建立健全本工程质量管理制度见下表。
三、质量管理流程 “无规矩不成方圆”，制定一套严谨统一的管理规矩，然后严格按照规矩去执行每一个步骤，是实现质量保证的关键，在本工程中将建立完善的质量保证控制流程来保证工程的质量。 质量检验流程图
四、质量管理控制手段 ＜1＞建立施工质量管理体系 施工质量管理体系的设置及运转均围绕质量管理职责、质量控制来进行的，我们将明确职责、严格控制,把质量管理体系真正落实到实处。 ＜2＞建立施工质量控制体系 根据我单位的质量方针，本工程具体实施中，我单位将运用先进的技术、科学的管理、严谨的作风，精心组织、精心施工，以优质的产品满足业主的要求。我单位将严格执行ISO-9001质量体系标准，并编制详细的《项目质量保证手册》，对各项工作实行规范化管理，大力推行“一案三工序管理措施”即“质量策划方案、监督上工序、保证本工序、服务下工序”和QC质量管理活动，全面推行标准化管理，加强质量管理的基础工作，使企业对工程质量综合保证能力显著提高。
5.2 加强公司研发机构和能力建设 5.2.1 加强公司研发机构建设 5.2.1.1 加强公司研发机构建设的必要性 ●加强公司研发机构的建设，是战略发展的必要选择 围绕公司的研发高科技战略，为把公司打造成为生物高科技集团化企业，未来十年的发展过程中，公司需继续加大研发机构的建设，发展生物科技核心竞争力，推动企业的技术进步与科技创新，在重视基础研究和应用研究的基础上，致力于R&D工作。以公司的研发机构为平台，在现有洋葱素专利技术的基础上，深化生物资源技术的研究，开展蔬菜种植技术研发，在蔬菜加工技术和冷链物流配送技术上实现完善和突破，这就需要加大研发机构建设力度，加大研发投入，扩展研发人才队伍，创新研发管理机制，从而保证公司生物高科技战略的实施，创造公司的核心竞争力和创造公司的高价值，高利润，高增长。 ●加强公司研发机构的建设，是提升企业竞争力的有力途径 现代企业的核心竞争力越来越积聚于科技的创新和核心技术的掌握，公司现阶段的福星康胶囊的市场垄断地位为公司带来了高额的利润，开拓了广阔的市场前景，这都得益于生物科学技术的掌握和运用。在未来农业产业一体化和产品一体化建设中，为加强产品的市场竞争力，公司应重点加强产品的科技含量，尤其是生物保健食品的进一步开发和深化，蔬菜生鲜加工技术的规范和完善，冷链物流技术的掌握，通过设立科研基地，加强公司研发机构建设，加快新产品投放市场的品种与速度，在产品和技术上构成一定的层次和纵深，形成企业的科技储备链，使企业在产品和技术上形成“生产一代，试制一代，预研一代，设想一代”的良性循环。 ●加强公司研发机构的建设，走产学研一体化道路 企业的开发创新能力会对企业的发展形成制约，公司现阶段具有较强的市场开拓能力，生产能力和研发能力则相对较弱，形成“倒金字塔”型的企业能力结构
智能工厂信息化架构及MES系统整体规划 企业信息化架构 基于制造企业的三个管理平台规划，其信息化系统整体架构规划如下: 工业软件 软件 工业控制 書能设备基于整体信息化架构规划，实现的网络拓扑架构如下: 客户、供应商，外协5
MES 整体规划 MES 生产执行系统自上向下分为五个层次：用户整合层、分析系统层、应用子系统层、 DCS/PLC 智能仪表 手工录入 ■] 针对具体一个工厂或制造车间的网络拓扑架构如下: 公囲员工通过克厢访问 「 1 耳 农忡办厂商 各事业胡 生产管控平台层和数据中心层。如下图所示:
系统层次结构说明 用户整合层：通过统一的门户，采用灵活严格的权限设置，使企业内外的用户都能在这个平台上进行业务操作，实现全面的协作。 分析系统层：整合企业的所有有效信息，为管理层提供决策支持。 应用子系统层：基于SOA模式的标准应用模块组成，可根据企业需求灵活配置。 生产管控平台层：由应用建模平台、工作流平台、系统运行平台组成，是整个系统的核心组成部分和运行基础，该平台具有开放性和可扩展性，能满足企业不断扩展的业务需求。 生产数据中心层：由数据采集总线、实时数据库、分析数据库、数据访问服务组成。基于SOA的先进技术平台 平台化：基于SOA的平台化设计，集应用建模系统、工作流系统、实时数据系统、系统运行于一体。 灵活性：提供灵活的“随需应变”策略，支持业务规则和界面的灵活配置，支持工 艺流程的灵活定义，可根据业务需求变化快速重构系统。 先进性：采用最先进的软件技术，利用BS+CS应用模式，包括SOA技术、WEB技 术、XML技术、中间件技术、软件组件技术等。 安全性：充分保证控制系统的安全性。 可靠性：合理的系统架构设计，保证系统平台的可靠性达到99.99%。 开放性：向下与DCS、PLC、SCADA等过程控制系统集成，向上与ERP、CRM和SCM等应用系统集成。 分布式：支持分布式应用部署和分布式数据管理，支持负载平衡，满足集团化企业 的管理需求。 国际化：支持多语言灵活切换。 易用性：界面友好、风格统一，操作简单方便。适合联宜电机的先进生产管理系统
云计算资源池平台架构设计
目录 第1章云平台总体架构设计 (4) 第2章资源池总体设计 (5) 2.1 X86计算资源池设计 (6) 2.1.1 计算资源池设计 (6) 2.1.2 资源池主机容量规划设计 (8) 2.1.3 高可用保障 (9) 2.1.4 性能状态监控 (12) 2.2 PowerVM计算资源池设计 (14) 2.2.1 IBM Power小型机虚拟化技术介绍 (14) 2.2.2 H3Cloud云平台支持Power小型机虚拟化 (16) 2.2.3 示例 (18) 2.3物理服务器计算资源池设计 (19) 2.4网络资源池设计 (20) 2.4.1 网络虚拟化 (20) 2.4.2 网络功能虚拟化 (34) 2.4.3 安全虚拟化 (36) 2.5存储资源池设计 (37) 2.5.1 分布式存储技术方案 (37) 2.6资源安全设计 (46) 2.6.1安全体系 (46) 2.6.2 架构安全 (47) 2.6.3 云安全 (52) 2.6.4 安全管理 (59)
2.6.5 防病毒 (62)
第1章云平台总体架构设计 基于当前IT基础架构的现状，未来云平台架构必将朝着开放、融合的方向演进，因此，云平台建议采用开放架构的产品。目前，越来越多的云服务提供商开始引入Openstack，并投入大量的人力研发自己的openstack版本，如VMware、华三等，各厂商基于Openstack架构的云平台其逻辑架构都基本相同，具体参考如下： 图2-1：云平台逻辑架构图 从上面的云平台的逻辑架构图中可以看出，云平台大概分为三层，即物理资源池、虚拟抽象层、云服务层。 1、物理资源层 物理层包括运行云所需的云数据中心机房运行环境，以及计算、存储、网络、安全等设备。 2、虚拟抽象层 资源抽象与控制层通过虚拟化技术，负责对底层硬件资源进行抽象，对底层硬件故障进行屏蔽，统一调度计算、存储、网络、安全资源池。 3、云服务层 云服务层是通过云平台Portal提供IAAS服务的逻辑层，用户可以按需申请
网络教学平台的体系结构与总体设计 余胜泉、陈天、何克抗 ysq@https://www.doczj.com/doc/0a12605505.html, 北京师范大学现代教育技术研究所（100875） 网上教学支持系统设计的基本出发点在于：我们认为网上教学不仅仅是将教学材料在网上发布，而更多的是学生与教师之间、学生与学生之间的充分沟通与交流，由于远程教学教师与学生之间在空间上的分离，这种沟通与交流就显得尤为重要，另外，传统教学过程中一些保证教学质量的关键环节，如作业、考试、图书馆、笔记记录等，都应该能够在网上得到很好的支持。所有的沟通与交流以及关键教学环节的支持，都需要一些专用的工具来支持，而现有Internet 技术并没有提供这些工具，因此需要进行工具开发。此外网上交互式的程序设计，是一般非计算机专业教师所难以做到的，因此，我们开发了一套网上的教学支持平台，为教师在网上实施教学提供全面的工具支持，屏蔽了程序设计的复杂性，使得教师能够集中精力于教学，也使得网上教学从简单的教学信息发布变成一个充满交互与交流的虚拟学习社区。 一、设计的基本构想 1．一体化管理 网络教学支持系统应该与教学内容紧密集成，应该实施一体化管理，而不是相互分离的系统。目前，Internet上的一些现成工具，如电子邮件、WEB、新闻组等，都有一定的教学功能，还有一些大学也开发了一些教学支持工具，如用户注册系统、讨论组、聊天室等，但这些工具都是与教学内容相分离的，是一些相对独立的系统，对教学的紧密性要求支持不够，象某些系统，要学习几门课程，就需要登录几次，使用起来很不方便。一体化管理就是要使教学支持系统真正符合教学的要求，在一个统一的系统中可以完成教学（学习）过程中的各种活动，而不需要来回在几个系统之间切换，降低操作的复杂度及学习的难度。 2．完全开放 远程教学所涉及的行业范围大，学习者的数量多，教学内容的形态需求复杂，这就要求系统具有完全的开放性，能够容纳各种形态的网上教学内容，不能仅仅限于支持某些专用工具开发的教学内容，不能只是支持某些文件格式。本系统将采用开放的文件存储格式，支持所有能够在网上运行（包括需要插件的文件）的课程内容与文件格式，不对课程开发工具作限定要求，只要求该工具开发出的课程内容能够在网上运行即可。 3．简化交互式教学设计的复杂性 我们认为，网上教学不仅仅是将教学内容在网上发布，更为重要的是教师与学生、学生与学生、教师与教师之间的充分沟通与交互，从而打破了传统课堂的授课模式，。由于师生在物理空间的分离，师生之间的交互显得更加重要，可以说，这种交互的广度与深度，是决定网上教学质量的关键性因素。网上教学包括一些基本的教学环节：教学内容的发布、作业、答疑、考试、讨论（同步／异步）、作笔记等等，而现有Internet工具并不能很好地支持这些活动，需要教师进行复杂的交互性程序设计，这对大部分教师来说，是无法完成的。教学支持平台就是要解决这些交互式工具支持问题，使得教师无需花费大量的精力去开发程序，就可以很方便获得很好的交互性支持，从而可以专注于教学内容与教学活动。教学支持平台的首要功能就是降低实施网上教学的技术难度，提供方便实用的教学工具，简化交互式教学设计的复杂性。 4．支持多种教学策略 网上教学完全打破了传统课堂授课的模式，改变了传统教学中教师与学生之间的关系，教
目录 质量管理体系 (1) 一、质量管理目标 (1) 二、质量管理组织机构 (1) 三、质量管理职责 (2) 四、质量管理制度 (3) 五、质量管理流程 (3) 施工质量控制标准 (4) 一、质量控制标准 (4) 二、施工质量措施 (5) 三、施工技术保证措施 (7) 安全管理体系 0 一、安全施工管理目标 0 二、安全管理组织机构 (1) 三、安全管理体系 (2) 四、安全管理制度 (5) 安全生产技术措施 (15) 一、基本规定 (15) 二、专业责任管理 (15) 三、施工安全防护措施 (16) 四、安全用电管理 (17) 五、用火管理 (20) 现场消防保卫措施 (20) 一、消防保卫管理体系 (20) 二、消防保卫管理制度 (21) 三、保卫措施 (25)
质量管理体系 一、质量管理目标 质量管理目标：确保工程质量合格，达到设计图纸、技术规及施工验收规标准及全面达到招标文件要求 二、质量管理组织机构 质量管理组织机构图 质量保证体系图
质量管理职责表
质量管理制度表 五、质量管理流程 总体质量管理流程图
施工质量控制标准 一、质量控制标准 根据《高压喷射扩大头锚杆技术规程》JGJ/T 282-2012,抗浮锚杆按如下项目进行抗浮锚杆锚杆质量控制： 抗浮锚杆质量控制标准
主控项目1 锚杆杆体长度（mm） ＋100 -30 用钢尺量 2 锚杆拉力特征值（KN）设计要求现场抗拔试验 3 扩孔压力（MPa）±10% 钻机自动检测记录 或现场监测 4 喷嘴给进和提升速度 （cm/min） ±10% 钻机自动检测记录 或现场监测 5 扩大头长度（mm）±100 钻机自动检测记录 或现场监测 6 扩大头直径（mm）≧1.0倍的设计直径钻机自动检测记录 一般项目1 锚杆位置（mm）±100 用钢尺量 2 钻孔倾斜度（°）±2测斜仪等 3 浆体强度(MPa) 设计要求试样送检 4 注浆量(L) 理论计算浆量自动灌浆记录仪 5 注浆水灰比0.4～0.5婆美计 5 杆体总长度(m) 不小于设计长度用钢尺量 二、施工质量措施 放线定位 1．按抗浮锚杆平面布置图放线定位，做好标记和预检； 2．桩位误差控制在规要求之。 锚杆成孔 1．安装钻机、调平、调立、稳固； 2.终孔深度不应小于设计深度，也不宜大于设计深度500mm。 3．钻孔偏差不大于10cm，深度偏差不大于设计深度1%，成孔深度应达到设计要求；
一、华为研发体系架构 华为公司的基本组织结构是一种扁平的，分权化的，矩阵式的二维结构，公司按职能划分，以获得专业经济化。同时又按产品线实行横向划分，实现了职能部门对各自单位有行政上的管理权，各产品线对业务上的领导权。行政平台、产品平台各司其职，当公司进新产品开发，新市场开拓以及一些重大项目的实施，都是以产品线为主线在直线职能制的行政平台上通过跨部门调用公司资源组成项目小组的方式来运作。华为公司依靠这种项目组的方式，调动了公司内部的各种资源，在某一时间段，某一产品上或市场的某一区域获取技术、人员上的优势，取得技术和市场突破。 在华为有五大平台：销售和服务平台、财务平台、生产和供应链平台、研发平台。在这些平台共享的基础上又分为4大产品线和20多个地区部。在各个地区部，以销售服务为龙头，各个平台都派驻人员组建各自的小平台，向区域延伸。其管理方式是矩阵式管理，如当地的财务主管，行政上受当地的主管考核，业务上归公司财务部考核。其目标是一致的，考核的重点有所不同。另外，业务线还是业务能力建设的中心。这样的好处是：信息很通畅，经验能共享，相互有合作也有牵制，各个业务单元很难形成土围子，同时资源能最大限度的共享。这也是华为迅速扩张而不出乱子的原因。 华为的研发体系，分为无线、核心网、网络、业务与软件四大产品线及终端、芯片、安全与存储分公司，分公司在研发上也是按产品线来管理。其组织结构经历了较大的变革，一些产品线以解决方案为主线，也有产品线是以技术平台为主线，其目的是共享硬件和软件平台。如核心网产品线主要专注核心网，其平台为无线和有线产品线共享，这样能迅速量产和降低成本。 图表华为公司的研发体系 资料来源：华为公司 二、研发流程体系 华为构建了全球化的研发体系，其研发体系的主业务流程——集成产品开发流程，是华为管理产品开发的一整套方法，基于客户需求导向进行产品开发决策，在产品开发过程中构筑客户关注的质量、成本、可服务性、可用性及可制造性。
软件系统的架构设计方 案 集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
软件系统的架构设计方案 架构的定义 定义架构的最短形式是：“架构是一种结构”，这是一种正确的理解，但世界还没太平。若做一个比喻，架构就像一个操作系统，不同的角度有不同的理解，不同的关切者有各自的着重点，多视点的不同理解都是架构需要的，也只有通过多视点来考察才能演化出一个有效的架构。 从静态的角度，架构要回答一个系统在技术上如何组织；从变化的角度，架构要回答如何支持系统不断产生的新功能、新变化以及适时的重构；从服务质量的角度，架构要平衡各种和用户体验有关的指标；从运维的角度，架构要回答如何充分利用计算机或网络资源及其扩展策略；从经济的角度，架构要回答如何在可行的基础上降低实现成本等等 软件系统架构(SoftwareArchitecture)是关于软件系统的结构、行为、属性、组成要素及其之间交互关系的高级抽象。任何软件开发项目，都会经历需求获取、系统分析、系统设计、编码研发、系统运维等常规阶段，软件系统架构设计就位于系统分析和系统设计之间。做好软件系统架构，可以为软件系统提供稳定可靠的体系结构支撑平台，还可以支持最大粒度的软件复用，降低开发运维成本。如何做好软件系统的架构设计呢 软件系统架构设计方法步骤 基于体系架构的软件设计模型把软件过程划分为体系架构需求、设计、文档化、复审、实现和演化6个子过程，现逐一简要概述如下。
体系架构需求：即将用户对软件系统功能、性能、界面、设计约束等方面的期望（即“需求”）进行获取、分析、加工，并将每一个需求项目抽象定义为构件(类的集合)。 体系架构设计：即采用迭代的方法首先选择一个合适的软件体系架构风格(如C/S、B/S、N层、管道过滤器风格、C2风格等)作为架构模型，然后将需求阶段标识的构件映射到模型中，分析构件间的相互作用关系，最后形成量身订做的软件体系架构。 体系架构文档化：即生成用户和研发人员能够阅读的体系架构规格说明书和体系架构设计说明书。 体系架构复审：即及早发现体系架构设计中存在的缺陷和错误，及时予以标记和排除。 体系架构实现：即设计人员开发出系统构件，按照体系架构设计规格说明书进行构件的关联、合成、组装和测试。 体系架构演化：如果用户需求发生了变化，则需相应地修改完善优化、调整软件体系结构，以适应新的变化了的软件需求。 以上6个子过程是软件系统架构设计的通用方法步骤。但由于软件需求、现实情况的变化是难以预测的，这6个子过程往往是螺旋式向前推进。 软件系统架构设计常用模式
很详细的系统架构图--专业推荐 2013.11.7
1.1.共享平台逻辑架构设计 如上图所示为本次共享资源平台逻辑架构图，上图整体展现说明包括以下几个方面： 1 应用系统建设 本次项目的一项重点就是实现原有应用系统的全面升级以及新的应用系统的开发，从而建立行业的全面的应用系统架构群。整体应用系统通过SOA面向服务管理架构模式实现应用组件的有效整合，完成应用系统的统一化管理与维护。 2 应用资源采集 整体应用系统资源统一分为两类，具体包括结构化资源和非机构化资源。本次项目就要实现对这两类资源的有效采集和管理。对于非结构化资源，我们将通过相应的资源采集工具完成数据的统一管理与维护。对于结构化资源，我们将通过全面的接口管理体系进行相应资源采集模板的搭建，采集后的数据经过有效的资源审核和分析处理后进入到数据交换平台进行有效管理。 3 数据分析与展现 采集完成的数据将通过有效的资源分析管理机制实现资源的有效管理与展现，具体包括了对资源的查询、分析、统计、汇总、报表、预测、决策等功能模块的搭建。 4 数据的应用 最终数据将通过内外网门户对外进行发布，相关人员包括局内各个部门人员、区各委办局、用人单位以及广大公众将可以通过不同的权限登录不同门户进行相关资源的查询，从而有效提升了我局整体应用服务质量。 综上，我们对本次项目整体逻辑架构进行了有效的构建，下面我们将从技术角度对相
关架构进行描述。 1.2.技术架构设计 如上图对本次项目整体技术架构进行了设计，从上图我们可以看出，本次项目整体建设内容应当包含了相关体系架构的搭建、应用功能完善可开发、应用资源全面共享与管理。下面我们将分别进行说明。 1.3.整体架构设计 上述两节，我们对共享平台整体逻辑架构以及项目搭建整体技术架构进行了分别的设计说明，通过上述设计，我们对整体项目的架构图进行了归纳如下：
编者按：华为的成功，使众多管理人员着迷于它的管理模式，组织结构，运作流程。编者也耗费了较多的时间来收集、整理有关华为的方方面面。在此，特将整理的资料汇总供大家参考，希望能有所借鉴，帮助中国的民营企业改善管理机制，提升管理水平。 一、华为研发体系架构 华为公司的基本组织结构是一种扁平的，分权化的，矩阵式的二维结构，公司按职能划分，以获得专业经济化。同时又按产品线实行横向划分，实现了职能部门对各自单位有行政上的管理权，各产品线对业务上的领导权。行政平台、产品平台各司其职，当公司进新产品开发，新市场开拓以及一些重大项目的实施，都是以产品线为主线在直线职能制的行政平台上通过跨部门调用公司资源组成项目小组的方式来运作。华为公司依靠这种项目组的方式，调动了公司内部的各种资源，在某一时间段，某一产品上或市场的某一区域获取技术、人员上的优势，取得技术和市场突破。 在华为有五大平台：销售和服务平台、财务平台、生产和供应链平台、研发平台。在这些平台共享的基础上又分为4大产品线和20多个地区部。在各个地区部，以销售服务为龙头，各个平台都派驻人员组建各自的小平台，向区域延伸。其管理方式是矩阵式管理，如当地的财务主管，行政上受当地的主管考核，业务上归公司财务部考核。其目标是一致的，考核的重点有所不同。另外，业务线还是业务能力建设的中心。这样的好处是：信息很通畅，经验能共享，相互有合作也有牵制，各个业务单元很难形成土围子，同时资源能最大限度的共享。这也是华为迅速扩张而不出乱子的原因。 华为的研发体系，分为无线、核心网、网络、业务与软件四大产品线及终端、芯片、安全与存储分公司，分公司在研发上也是按产品线来管理。其组织结构经历了较大的变革，一些产品线以解决方案为主线，也有产品线是以技术平台为主线，其目的是共享硬件和软件平台。如核心网产品线主要专注核心网，其平台为无线和有线产品线共享，这样能迅速量产和降低成本。 图表华为公司的研发体系 资料来源：华为公司 二、研发流程体系
大型网络平台架构设计方案
目录 1网站的性能瓶颈分析 (1) 2系统架构设计 (3) 2.1总体思路 (3) 2.1.1负载均衡 (3) 2.1.2WEB应用开发架构思路 (3) 2.1.3数据存储的设计思路 (3) 2.1.4不同网络用户访问考虑 (4) 2.2总体架构 (5) 2.2.1网站的系统分层架构 (5) 2.2.2网站的物理架构 (6) 2.2.3网站的开发架构 (7) 2.2.4网络拓扑结构 (8) 2.3架构涉及技术的详解 (9) 2.3.1负载均衡 (9) 2.3.2缓存 (15) 2.3.3页面静态化 (19) 2.3.4数据库配置及优化 (20) 2.3.5文件存储 (21) 2.3.6网络问题解决方案 (24) 2.3.7WEB应用开发架构设计思路 (26) 2.4系统软件参数优化 (30) 2.4.1操作系统优化 (30) 2.4.2tomcat服务器优化 (31) 2.4.3apache服务器优化 (33) 2.4.4Nginx服务器的优化 (33) 3WEB服务架构评测 (34) 3.1测试环境 (34) 3.1.1网络环境 (34)
3.1.2服务器配置 (35) 3.1.3软件环境 (35) 3.2测试结果 (40) 3.2.1单个TOMCAT的WEB服务器 (40) 3.2.2Nginx+2个TOMCAT的WEB服务器 (41) 3.2.3Nginx+2个TOMCAT的WEB服务器+缓冲 (42) 3.3测试结果分析 (43) 3.4评测结果 (44) 4配置选型 (45) 4.1网络带宽 (45) 4.2架构和硬件配置选型 (46) 4.2.1硬件配置参考 (46) 4.2.2Web架构和硬件选型 (47) 4.3硬件扩容策略 (48) 4.3.1增加服务器 (48) 4.3.2增加存储 (48) 4.3.3升级服务器 (48) 4.3.4网络扩容 (48) 5附录：一些主流网站的真实数据 (49)
很详细的系统架构图 --专业推荐 2013.11.7 1.1.共享平台逻辑架构设计 1.2. 如上图所示为本次共享资源平台逻辑架构图，上图整体展现说明包括以下几个方面： 1 应用系统建设 本次项目的一项重点就是实现原有应用系统的全面升级以及新的应用系统的开发，从而建立行业的全面的应用系统架构群。整体应用系统通过SOA面向服务管理架构模式实现应用组件的有效整合，完成应用系统的统一化管理与维护。 2 应用资源采集 整体应用系统资源统一分为两类，具体包括结构化资源和非机构化资源。本次项目就要实现对这两类资源的有效采集和管理。对于非结构化资源，我们将通过相应的资源采集工具完成数据的统一管理与维护。对于结构化资源，我们将通过全面的接口管理体系进行相应资源采集模板的搭建，采集后的数据经过有效的资源审核和分析处理后进入到数据交换平台进行有效管理。 3 数据分析与展现 采集完成的数据将通过有效的资源分析管理机制实现资源的有效管理与展现，具体包括了对资源的查询、分析、统计、汇总、报表、预测、决策等功能模块的搭建。 4 数据的应用 最终数据将通过内外网门户对外进行发布，相关人员包括局内各个部门人员、区各委办局、用人单位以及广大公众将可以通过不同的权限登录不同门户进行相关资源的查询，从而有效提升了我局整体应用服务质量。 综上，我们对本次项目整体逻辑架构进行了有效的构建，下面我们将从技术角度对相关架构进行描述。 1.3.技术架构设计 如上图对本次项目整体技术架构进行了设计，从上图我们可以看出，本次项目整体建设内容应当包含了相关体系架构的搭建、应用功能完善可开发、应用资源全面共享与管理。下面我们将分别进行说明。 1.4.整体架构设计 上述两节，我们对共享平台整体逻辑架构以及项目搭建整体技术架构进行了分别的设计说明，
车联网大数据平台架构设计-软硬件选型 1.软件选型建议 数据传输 处理并发链接的传统方式为：为每个链接创建一个线程并由该线程负责所有的数据处理业务逻辑。这种方式的好处在于代码简单明了，逻辑清晰。而由于操作系统的限制，每台服务器可以处理的线程数是有限的，因为线程对CPU的处理器的竞争将使系统整体性能下降。随着线程数变大，系统处理延时逐渐变大。此外，当某链接中没有数据传输时，线程不会被释放，浪费系统资源。为解决上述问题，可使用基于NIO的技术。 Netty Netty是当下最为流行的Java NIO框架。Netty框架中使用了两组线程：selectors与workers。其中Selectors专门负责client端（列车车载设备）链接的建立并轮询监听哪个链接有数据传输的请求。针对某链接的数据传输请求，相关selector会任意挑选一个闲置的worker线程处理该请求。处理结束后，worker自动将状态置回‘空闲’以便再次被调用。两组线程的最大线程数均需根据服务器CPU处理器核数进行配置。另外，netty内置了大量worker 功能可以协助程序员轻松解决TCP粘包，二进制转消息等复杂问题。 IBM MessageSight MessageSight是IBM的一款软硬一体的商业产品。其极限处理能力可达百万client并发，每秒可进行千万次消息处理。 数据预处理 流式数据处理 对于流式数据的处理不能用传统的方式先持久化存储再读取分析，因为大量的磁盘IO操作将使数据处理时效性大打折扣。流式数据处理工具的基本原理为将数据切割成定长的窗口并对窗口内的数据在内存中快速完成处理。值得注意的是，数据分析的结论也可以被应用于流式数据处理的过程中，即可完成模式预判等功能还可以对数据分析的结论进行验证。 Storm Storm是被应用最为广泛的开源产品中，其允许用户自定义数据处理的工作流（Storm术语为Topology），并部署在Hadoop集群之上使之具备批量、交互式以及实时数据处理的能力。用户可使用任意变成语言定义工作流。 IBM Streams IBM的Streams产品是目前市面上性能最可靠的流式数据处理工具。不同于其他基于Java 的开源项目，Streams是用C++开发的，性能也远远高于其他流式数据处理的工具。另外IBM 还提供了各种数据处理算法插件，包括：曲线拟合、傅立叶变换、GPS距离等。 数据推送 为了实现推送技术，传统的技术是采用‘请求-响应式’轮询策略。轮询是在特定的的时间间隔（如每1秒），由浏览器对服务器发出请求，然后由服务器返回最新的数据给客户端的浏览器。这种传统的模式带来很明显的缺点，即浏览器需要不断的向服务器发出请求，然而HTTP request 的header是非常长的，里面包含的数据可能只是一个很小的值，这样会占用很多的带宽和服务器资源。
宁波通驰电器有限公司品管部组织结构
品管组织各岗位职责品质部职责 1.组织质量手册的编写与审查? 2.组织编写程序文件和工作文件? 3.协助管理者代表做好内部审核的计划﹑组织﹑实施工作? 4.负责质量管理体系文件的发放﹐回收及存盘? 5.负责规定原材料﹑半成品和成品的验收标准? 6.对“纠正和预防措施方案”进行登记﹑检查和评价? 7.编制和管理“质量记录总览表” ? 8.负责产品样品﹑采购产品样品及主要原辅材料的验证? 9.负责对顾客提供产品的验证? 10.负责各工序产品的检验和试验﹐以及测量和试验设备的检定? 11.负责不合格计量器具及对已检产品质量造成的影响进行评审? 12.负责组织不合格品的评审? 13.负责原辅材料﹑半成品和成品检验和试验状态的确认? 14.负责对QMS﹑过程﹑产品监测的数据分析管理。
质量部主管 1﹒公司行政人事制度﹑质量方针﹑政策的遵照与执行? 2﹒质量制度的制订与推动执行? 3﹒本部门工作之领导﹑推动﹒所属职能人员工作的督导与评价? 4﹒组织品检体系的设计﹐窗体﹑规程之拟定? 5﹒负责质量策划﹑质量仲裁﹑质量执行效果的签定﹐公司各部门质量业绩的考核? 6﹒质量异常的研究﹑改善? 7﹒质量培训计划和制定与推动执行? 8﹒对“纠正和预防措施”的有效性评价? 9﹒负责组织不合格品的评审? 10﹒质量信息收集﹑传导与回复? 11﹒负责对QMS过程﹑产品监测的数据分析管理? 12﹒协助管代建立和维护ISO9001质量管理体系﹒ 文控文员 1.编制和管理“QMS文件总览表”? 2.编制和管理“质量记录总览表”?
3.编制和管理“适用法律和法规和外来标准总览表”? 4.部门文件之汇集﹑归档? 5.负责QMS文件的打印﹑发放﹑回收及存盘工作﹒ 6.制程质量管理能力分析与质量改良? 7.进料﹑在制品﹑成品质量检测规范的制订与推动执行? 8.品检样品的制作与检测? 9.量规﹑检验仪器的校正与管制? 10.负责来料﹑半成品﹑成品物理性能的检测工作﹐并作好相应的检测记录? 11.负责检测室设备的日常维护与保养﹐数据及产品检测记录的管理? 12.负责根据有关文件规定对检测室进行有效的统一管理﹒ 13.质量数据的汇集﹑汇总﹑分析? 14.品质报告之制作与发布? 15.品管图之绘制? 16.质量成本之计算﹒ 来料检验(IQC) 1﹒负责按照IQC检验规程对原辅材料进行来料检验或验证﹐并做好检验状态标识及检验记录工作?2﹒来料检验不合格时﹐有责任向品检主管反映?
技术开发部的组织架构、岗位职责 一．技术开发部组织架构 技术开发部采取直线职能与矩阵制相结合的组织结构。在总经理领导下，部门经理负责部门的新产品开发、机制创新、自身建设及技术和产品培训的管理。设部门经理、项目经理、研发工程师、研发助理等工作岗位。组织架构见下图： 技术开发部组织架构的主要特点： 1.扁平化。通常部门领导既负责各自承担的管理职责，又要兼任某些重大新产品项目的研制开发，以减少管理层次， 提高组织效率和效能。 2.相互关系。部门经理、项目经理、研发工程师、研发助理之间的关系是上级与下级、领导与被领导之间的关系。 在新产品开发项目方面的主要职责，项目经理是：承担公司重要新产品开发项目的全盘研制工作；对研制项目的时 间、成本、环保和技术可行性进行整体控制；协助技术开发部经理日常技术开发部管理工作；以身作则研发工程师、 研发助理。研发工程师是：独立承担公司新产品开发工作；配合协助技术开发部经理和项目经理工作；指导研发助 理处理事务。研发助理是：新产品研制协助；相关产品的检测认证工作；承担上级交代的各种工作；在研发工程师 指导下进行新产品试制、锻炼提高。 3.资源配置。技术开发部的所有新产品开发项目由公司领导决定立项，由公司总经理下达给部门经理，部门经理根据 本部门技术人员的专业、经验和能力进行新产品各项目的分摊和监督。项目经理根据承担的新产品项目具体内容和 本项目组人员配置，分配研究开发的具体工作。 研发工程师、研发助理属于内部人员，部门经理或项目经理可根据其自身的专业、经验和能力自由选择组建新产品 项目组的成员，并上报总经理批准。 项目经理、研发工程师、研发助理的邮箱一律共享，以便于相互沟通信息和及时处理产品开发。 4.培养方式。在人才任用和培养方式上，公司倡导以内部自行培养人才、在实践中逐级晋升为主的方式，而不太认同 直升机式提拔或从外部直接引入任用核心人才的做法。因此，除特别情况外，公司鼓励和支持技术开发部人员通常 从研发助理、研发工程师做起，经过实践的锻炼、考查和内部自行培养，逐级晋升为研发工程师、项目经理、部门 经理。 二．岗位及职责 技术开发部承担三大任务：研制新产品、研发机制创新和加强自身建设. 所谓研制新产品，就是部门以不断开发出环保、低成本、符合市场需求的新产品为中心，将新产品开发项目分解落实到各研发项目组和个人，在确保新产品的功能、性能前提下，多想办法降低成本，提高新产品的生产水平和合格率，做到高的性价比。确保新产品的功能、性能，就必须要有先进的测试方法，检测技术的水平就决定了开发新产品的水平。 技术开发部人员需要不断的收集新资料、新产品、新检测技术，不断的开发出畅销的新产品。 所谓研发机制创新，包括我们内部管理机制的创新和外部合作机制的创新。内部管理机制对于成功新产品的研制人员我们有奖励办法，根据客户需求开发新产品，摊派新产品开发任务向制定年度新产品研发计划，主动申请新产品研制，
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目录 1、引言 ......................................................... 错误!未定义书签。 背景......................................................... 错误!未定义书签。 说明......................................................... 错误!未定义书签。 2、范围 ......................................................... 错误!未定义书签。 软件名称..................................................... 错误!未定义书签。 软件功能..................................................... 错误!未定义书签。 需求边界..................................................... 错误!未定义书签。 3、总体设计...................................................... 错误!未定义书签。 架构设计目标和约束........................................... 错误!未定义书签。 运行环境................................................. 错误!未定义书签。 开发环境................................................. 错误!未定义书签。 设计思想..................................................... 错误!未定义书签。 架构体系描述................................................. 错误!未定义书签。 架构体系..................................................... 错误!未定义书签。 数据支撑层............................................... 错误!未定义书签。 应用层................................................... 错误!未定义书签。 终端层................................................... 错误!未定义书签。 重要业务流程................................................. 错误!未定义书签。 核心数据采集输出流程..................................... 错误!未定义书签。 应用数据采集输出流程..................................... 错误!未定义书签。 模块划分..................................................... 错误!未定义书签。 数据支撑层............................................... 错误!未定义书签。 应用层................................................... 错误!未定义书签。 终端层................................................... 错误!未定义书签。 4、部署 ......................................................... 错误!未定义书签。 云服务器部署................................................. 错误!未定义书签。 部署服务器系统要求........................................... 错误!未定义书签。