基于CC的工业数据采集系统开发方法研究

论文摘要

工业数据采集系统是工业控制和监控系统的核心与基础，可为工业控制系统所必需的现场数据源提供访问功能，广泛运用于电力、军事、通信等重要的工业领域。信息技术在工业数据采集系统的广泛运用，使生产方式得以革新，效率大大提高，但其信息安全问题一直是关注和研究的热点，也是影响其应用的瓶颈之一。因此，在信息安全技术基础之上，结合工业数据采集系统的特点，研究一种系统化的方法以开发出具有较高安全等级的数据采集系统，从而满足日益突出的信息安全问题，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。本文基于计算机安全评估标准-通用准则（Common Criteria，CC），以一个安全工业数据采集系统的开发实践为基础，对工业生产环境下，安全数据采集系统的开发方法进行了较为深入的研究，主要的研究内容如下：1基于CC安全保障要求的数据采集系统安全工程方法：研究如何通过CC安全保障要求，构建完备的数据采集系统全生命周期的安全工程开发方法。提出一种基于保障范围的CC安全保障要求的层次体系结构，使得CC安全保障要求与软件工程活动的关系更易于理解；提出并建立了CC安全保障类与CMM（Capability Maturity Model，能力成熟度模型）的集成模型-CC-CMM，给出了CC安全保障在数据采集系统软件工程中的确立和执行方法，从而确保CC安全保障类可以基于通用的软件工程方法在工程活动中得以推行；建立了基于CC安全保障类的数据采集系统安全工程方法。2基于CC安全功能要求的数据采集系统安全需求工程方法：研究如何通过CC安全功能要求，构建完备的数据采集系统安全需求工程方法。提出了一种基于CC安全功能要求的数据采集系统安全需求工程方法，将其划分为前期需求、安全策略以及后期需求等三个开发阶段。在前期需求设计中，提出一种基于扩展的i*框架的安全需求早期建模方法，有效地捕捉了数据采集系统威胁、系统脆弱性与安全目标之间的依赖关系。在安全策略设计中，引入可信网络连接的概念，创建了一种基于可信度与角色的访问控制模型-TRBAC（Trust and Role Based Access Control），可以弥补现有安全策略的不足，较好地解决目前数据采集系统普遍面临的安全威胁。在后期需求设计中，提出了一种基于需求特征的CC安全功能类分类方法；对UML进行扩展，创建了一种可以较好的表达CC安全功能要求的需求建模语言。-CC-UML，无缝的将CC安全功能要求系统的需求设计相集成，并最终完成数据采集系统安全需求模型的建立。3安全数据采集系统通用软件体系结构及核心技术：研究安全数据采集系统通用软件体系结构及关键技术。提出了一种多层开放式数据采集系统体系结构，较好的支持数据采集系统访问控制模型的实现，有效的构建了层次化的数据采集系统安全防御体系。对数据采集系统安全协议进行了详细的研究，引入Petri网对安全协议进行形式描述，以精确的确定安全协议的状态变迁；提出一种基于BNF范式的安全策略定义方法，可以对数据采集系统的安全策略进行精确的描述，并基于该语法对数据采集系统安全策略进行了形式定义。提出一种集成了访问控制接口的数据采集服务器快速开发方法，在现有方法的基础上，使数据采集服务器具有更高的安全特性，更好地满足数据采集领域日益增长的安全需求。4安全数据采集系统原型系统的开发：结合本文提出的理论和方法，开发了安全数据采集系统原型系统，可较好的满足工业应用环境中日益增长的信息安全要求。本文的研究成果揭示了基于CC的信息安全理论技术在工业生产领域中的运用，为工业领域安全数据采集系统新的开发模式建立了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 数据采集系统及其发展趋势
• 1.1.1 数据采集系统
• 1.1.2 数据采集系统发展趋势
• 1.2 数据采集系统信息安全问题的研究
• 1.2.1 安全数据采集系统（SC-DAS）的定义
• 1.2.2 数据采集系统面临的信息安全问题
• 1.2.3 数据采集系统信息安全研究现状
• 1.3 信息安全通用准则（CC）与信息安全
• 1.3.1 信息安全通用准则（CC）
• 1.3.2 基于CC的安全信息系统开发
• 1.4 研究主题及目标
• 1.5 研究支撑及组织结构
• 1.5.1 研究支撑
• 1.5.2 组织结构
• 1.6 本章小结
• 第二章 SC-DAS安全支撑技术
• 2.1 CC标准结构模型研究
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 安全功能要求
• 2.1.3 安全保障要求
• 2.1.4 安全要求的用法
• 2.1.4.1 包
• 2.1.4.2 保护轮廓书（PP）/安全目标书（ST）
• 2.1.5 安全确信度等级
• 2.2 访问控制模型研究
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 典型访问控制模型的对比
• 2.2.3 RBAC模型定义
• 2.3 数据采集系统安全标准研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于CC安全保障要求的SC-DAS安全工程
• 3.1 CC标准与安全工程
• 3.1.1 安全工程及其目标
• 3.1.2 CC标准与安全工程的关系
• 3.2 CC安全保障要求与CMM模型的集成框架
• 3.2.1 研究可行性及目标
• 3.2.2 基于保障范围的CC安全保障类层次体系结构
• 3.2.3 CC-CMM-CC安全保障类与CMM的集成框架
• 3.2.3.1 CC-CMM工作产品映射部分
• 3.2.3.2 CC-CMM KPA集成模型部分
• 3.2.4 CC安全保障类在安全工程中的确立方法
• 3.3 基于CC安全保障要求的SC-DAS安全工程
• 3.3.1 SC-DAS安全工程方法
• 3.3.2 方法特点
• 3.4 相关研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于CC安全功能要求的SC-DAS安全需求工程
• 4.1 基于CC安全功能要求的SC-DAS安全需求开发方法
• 4.1.1 安全需求对需求工程的挑战
• 4.1.2 基于CC安全功能要求的安全需求开发方法
• 4.1.2.1 现有一般性方法研究
• 4.1.2.2 待解决问题
• 4.1.3 SC-DAS安全需求开发方法
• 4.2 SC-DAS安全环境及安全目的模型
• 4.2.1 SC-DAS安全环境及安全目的的定义
• 4.2.2 基于扩展i*框架的前期需求建模方法
• 4.2.2.1 问题的提出
• 4.2.2.2 i*框架概述
• 4.2.2.3 面向SC-DAS安全环境的i*框架扩展
• 4.2.3 基于扩展i*框架的SC-DAS安全环境模型
• 4.2.4 基于扩展i*框架的SC-DAS安全目标模型
• 4.2.5 结论
• 4.3 SC-DAS访问控制策略模型
• 4.3.1 需要解决的安全问题
• 4.3.2 基于可信网络连接的SC-DAS安全接入
• 4.3.3 TRBAC-基于可信度和角色的SC-DAS访问控制模型
• 4.4 SC-DAS后期需求模型
• 4.4.1 SC-DAS后期需求开发方法
• 4.4.1.1 SC-DAS后期需求开发的研究内容
• 4.4.1.2 SC-DAS后期需求开发方法
• 4.4.2 基于需求特征的CC安全功能类结构
• 4.4.3 基于CC和UML的需求建模支撑方法-CC-UML
• 4.4.3.1 基本目的
• 4.4.3.2 UML扩展方法概述
• 4.4.3.3 基于CC安全功能要求的扩展UML元模型-CC-UML
• 4.4.3.3.1 CC-UML模型组成
• 4.4.3.3.2 CC-UML基础包（Foundation）
• 4.4.3.3.3 CC-UML行为元素包（Behavioral Elements）
• 4.4.4 SC-DAS后期需求模型的建立
• 4.4.4.1 功能模型
• 4.4.4.2 结构模型
• 4.5 相关研究
• 4.5.1 安全需求的描述方法
• 4.5.2 可信接入及相关访问控制模型
• 4.6 本章小结
• 第五章 SC-DAS通用软件体系结构及核心技术
• 5.1 概述
• 5.1.1 软件体系结构
• 5.1.2 SC-DAS通用软件体系结构的目的
• 5.2 SC-DAS通用软件体系结构模型
• 5.2.1 设计原则及方法
• 5.2.2 SC-DAS层次化通用软件体系结构
• 5.2.2.1 子系统说明
• 5.2.2.2 层次结构说明
• 5.3 SC-DAS安全协议的形式化模型
• 5.3.1 基于Petri网的安全协议形式模型
• 5.3.2 安全策略形式化方法
• 5.3.2.1 安全策略形式化语法定义
• 5.3.2.2 SC-DAS安全策略形式定义
• 5.4 SC-DAS数据采集服务器快速开发方法
• 5.4.1 需要解决的问题和目标
• 5.4.2 总体模式
• 5.4.3 关键功能与实现
• 5.5 本章小结
• 第六章 SC-DAS原型系统开发实现与应用实施
• 6.1 原型系统的开发与实现
• 6.1.1 原型系统安全协议的实现
• 6.1.1.1 设计原则与方法
• 6.1.1.2 基于XML-Schema的可信度赋值策略
• 6.1.1.3 基于XML-Schema的访问控制策略
• 6.1.1.4 基于XML-Schema的信息流策略
• 6.1.2 原型系统安全组件的实现
• 6.1.2.1 客户端可信代理
• 6.1.2.2 信息流过滤网关
• 6.1.2.3 策略决策中心
• 6.1.3 原型系统数据采集服务器的实现
• 6.2 原型系统的运行与实施
• 6.2.1 应用环境分析
• 6.2.2 安全环境分析
• 6.2.3 原型系统运行实施
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 相关工作展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 基于CC安全保障要求的CMM-KPA模型
• Ⅰ.1 说明
• Ⅰ.2 OPD-组织过程定义
• Ⅰ.2.1 目的
• Ⅰ.2.2 执行承诺（Co）
• Ⅰ.2.3 执行能力（Ab）
• Ⅰ.2.4 执行活动（Ac）
• Ⅰ.2.5 测量和分析（Me）
• Ⅰ.2.6 验证实施（Ve）
• Ⅰ.3 ISM-集成软件管理
• Ⅰ.3.1 目的
• Ⅰ.3.2 执行承诺
• Ⅰ.3.3 执行能力
• Ⅰ.3.4 执行活动
• Ⅰ.3.5 测量分析
• Ⅰ.3.6 验证实施
• Ⅰ.4 SPE-软件产品工程
• Ⅰ.4.1 目的
• Ⅰ.4.2 执行承诺
• Ⅰ.4.3 执行能力
• Ⅰ.4.4 执行活动
• Ⅰ.4.5 测量和分析
• Ⅰ.4.6 验证实施
• 附录Ⅱ 基于需求特征的CC安全功能类结构
• Ⅱ.1 功能约束类
• Ⅱ.2 结构约束类
• 附录Ⅲ 图表目录及英文缩略语索引
• Ⅲ.1 图目录
• Ⅲ.2 表目录
• Ⅲ.3 英文缩略语索引
• 附录Ⅳ 攻读博士学位期间科研与发表论文情况
• 科研工作
• 发表论文
• 所获奖励与资质
• 致谢