论文部分内容阅读
工业控制系统是一种面向服务的信息处理系统,担负着不同场景下的监视、数据采集、控制、解算结果等任务,系统中通常包含许多异构实现的处理节点。近年来,工业控制领域的信息化变革在提升系统运作效率的同时,也增加了系统本身的攻击面,将许多设备的漏洞后门暴露在了互联网的环境下,这种变化使得原本封闭、以可靠性可用性为主要设计目标的工业控制系统面临众多安全挑战。然而在现有条件下,漏洞测试、自主制造等手段并不能完全消除设备的漏洞后门,同时依赖先验知识或是简单的动态跳变的已有防御技术也不能保证系统的可信可靠。基于DHR(Dynamic Heterogeneous Redundancy,动态异构冗余)架构的拟态防御技术为工控安全问题提供了一种解决思路,通过对异构执行体输出向量的表决以及触发负反馈改变防御环境的方式,拟态防御能在不依赖执行体“无毒无菌”的条件下获得系统整体上的安全性。因此,在工业控制的异构处理场景下探讨与拟态构造实现相关的问题具有重要的现实意义。本文基于拟态工控处理机背景,首先给出一种评估工控处理机执行体间异构度的可行方法,接着利用异构度评估结果,在拟态DHR架构下探讨了实时任务调度问题,并且针对多个执行体输出相同错误的问题,相应地给出了表决算法。本文的主要工作为:1.针对拟态工控处理机中多个异构执行体间相异程度的量化问题,给出一种融合软硬件组件指标的评估方法。该方法通过树形层次结构划分执行体的软硬件组件,根据组件特点选取可定性或定量评估的异构度指标,并利用层次分析法分配权重,最终完成基于证据理论和加权求和的指标信息融合,获得两个执行体间的异构度值。应用实例说明了该评估方法的可行性。2.从异构度与系统内执行体不同时出现相同错误的正相关性出发,在DHR架构下提出一种冗余自适应的异构度优先调度算法。该算法在任务实时性约束下,使用与节点选择情况相关的全局队列增加调度的公平性,同时利用一种贪婪策略尽可能地提升任务执行时执行体的平均异构度。算法还通过一种有条件的冗余任务版本丢弃策略提高调度成功率。仿真结果表明,在保证调度成功率的条件下,所提算法相比于对标算法,平均异构度的均值提高了22.7%。3.针对执行体输出相同错误时影响表决正确性的问题,给出一种利用执行体间异构度辅助表决的模糊表决算法。该算法首先根据执行体冗余数量及可能出现相同错误的情况,改进了模糊规则,接着利用执行体间的异构度信息辅助进行二次表决。仿真实验证明了算法的有效性,且与对标算法相比,得到了更优的可靠性和可用性结果。