CN111162957A - 基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法与装置，包括本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、验证硬件层，所述的本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、验证硬件层依次连接，所述的验证硬件层包括网络硬件层以及轨道交通被测信号系统，所述的网络硬件层通过国密芯片或者直接与轨道交通被测信号系统连接。与现有技术相比，本发明具有功能验证安全可靠、效率高、成本低等优点。

Description

基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法与装置

技术领域

本发明涉及轨交信号系统测试技术，尤其是涉及一种基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法与装置。

背景技术

在轨道交通信号行业，信号系统的所有测试和出厂功能验证检测，都是依靠厂内集成验证确认测试平台(FIVP)来测试。传统的FIVP仿真测试平台建设面临仿真验证测试兼容扩展性差、成本高、设备所占空间大、应用灵活性繁琐、环境部署难等问题；而且更主要的是信息安全保障性差。

目前正线基于通信的轨道交通列车控制系统，其车载控制器通过车地无线系统，与轨旁系统进行通信，获取与列车运行控制相关的信息，并进行列车控制计算，输出列车控制命令。其传输的物理介质在于开放的空间范围没，存在一定的非授权接入风险，其安全通信标准不符合EN50159-2中所规定的要求。为了提高应用层信息安全性，需增加应用层加密技术，以提升车载信号控制系统的整体信息安全水平。本公司已将国密算法加密技术用于车载信号控制系统，并在实际项目中得到应用。但是就目前的信号测试验证平台不能满足国密项目的室内功能验证测试，这对于基于国密算法的信号系统在正线的一次性可靠交付使用存在困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功能验证安全可靠、效率高、成本低的基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法与装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法，包括：

云管理测试过程，用于完成信号系统的测试；

国密算法加密过程，用于完成信号系统测试过程中的数据加密。

优选地，所述的云管理测试过程具体包括以下步骤：

步骤101)，通过客户端唤醒云端设备实现云端接入，依次为SaaS层级、PaaS层级、IaaS层级、物理适配层级和信号设备层级；

步骤102)，初始化位于SaaS层级的仿真信号软件，并将分布式仿真验证系统各层级的服务提供给云终端用户；

步骤103)，初始化位于PaaS层级的各类服务，包括验证平台开发服务、部署服务、运行服务以及管理服务；在验证平台开发服务资源池中选择相应的开发模型，确定并根据需要选择相应的部署软件，导入场景测试验证计划和测试验证用例，对测试验证过程进行完整监控及对测试验证后形成的结果进行自动分析，形成测试验证报告；同时在云端平台自动运行过程中，对整个测试验证进行各种资源的调配和综合管理；

步骤104)，根据上述PaaS的计算和运行中间结果，动态调用IaaS层级的国密链接库和各类接口适配器资源池。

优选地，所述的位于SaaS层级的仿真信号软件包括仿真车辆软件、仿真轨旁软件与其它仿真控制界面系列软件。

优选地，所述的国密链接库是国密芯片提供的函数接口，所有的加解密功能实现都是通过调用链接库在国密芯片中完成的。

优选地，所述的国密算法加密过程采用SM1、SM2和SM3国产加密算法，整个加密过程分为维护证书列表阶段、身份认证阶段、会话秘钥协商阶段及应用数据通信阶段。

一种基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试装置，包括本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、验证硬件层，所述的本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、验证硬件层依次连接，所述的验证硬件层包括网络硬件层以及轨道交通被测信号系统，所述的网络硬件层通过国密芯片或者直接与轨道交通被测信号系统连接。

优选地，所述的本地瘦客户端包括：

云桌面操作部分，用于实现测试验证用户的各种测试验证操作，包括测试验证计划的导入、测试验证用例的执行；

云桌面显示，用于整个平台提供友好的人机界面HMI；

云桌面管理，用于对测试验证计划、测试验证用例、测试验证结果和报告进行可视化管理，包括测试验证计划的导入、测试验证用例的执行启动、干预和结束、以及测试验证报告和测试验证用例的映射表格管理、测试验证用例的数据库管理。

优选地，所述的云端SaaS软件服务层封装了服务应用接口，供用户虚拟机调用处理，通过所述的本地瘦客户端进行远程访问，提供相应的仿真平台开发服务、仿真平台部署服务、仿真平台运行服务和仿真平台管理服务。

优选地，所述的云端PaaS平台服务层为测试验证用户、开发者提供统一平台；

所述的云端IaaS基础设备服务层向用户提供由各类信号系统模拟接口资源池，用户可自行定义和组件所需要的测试验证接口，将硬件层的基础资源虚拟化，构建测试资源对应的虚拟资源池。

优选地，所述的验证硬件层把云端IaaS基础设备服务层传过来的网络消息进行解析，并打包转换成相应的被测系统所需接口，可打包转换成信号系统所需要的各类数字脉冲信号、任意波形信号、24/110V IO码位信号，以及带有安全通信协议的网络信号，并且这些网络消息中关于车载与轨旁之间的交互需经过国密芯片来加密解密。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、强大的扩展性：由于此平台的所有资源都在云端，故可以很方便的随意支配资源的使用，最大限度保持信号系统既有架构、功能、安全等级不受影响。在需要增加资源的时候，可以通过增添云端设备的方式增加计算能力，使用起来非常的方便。

2、节约成本和环境搭建时间：以往传统的测试验证系统设备需要通过添加物理设备来增大计算能力，这大大的增加采购成本，但是使用云平台通过使用虚拟计算资源，节约了成本和设备的空间占用率，也为测试验证环境的搭建提供了便利，大大缩短了测试前期的准备工作时间。

3、应用方便灵活：对于实际的操作者来讲，云管理平台是一个虚拟的客户端，测试验证人员无论身在何地，处在何时都能够很方便的应用它。

4、信息安全可靠：在信号测试验证系统中的云端应用层应用数据加密技术，极大的提升了车地通信的信息安全防护能力为正线的国密产品的一次性投入使用提供了可靠安全的保障。

5、方案一体化：证书签发、身份认证、密码管理、数据加解密、信息完整性一体化应用层应用方案。

该系统以用于基于国密的信号系统以及传统信号系统的厂内验证测试，保证了地铁线路信号系统的发布质量，显著提高了现场系统运行的安全性与测试验证效率，并有效降低了测试设备成本，将国密算法与互联网行业内的云技术相结合，是未来轨道交通信号系统测试验证平台的发展方向。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为维护更新证书列表阶段示意图；

图3为身份认证与会话秘钥协商阶段示意图；

图4为应用数据通信阶段示意图；

图5为本发明的架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明一种功能验证安全可靠、效率高、成本低的基于云仿真技术的轨交国密算法测试方法与装置。其中仿真信号系统应用国产加密技术，通常是在既有信号系统设备的基础上，增加国密安全芯片等相关设备，通过SM1算法对车地无线通信的数据提供机密性保护；通过SM2算法对车地通信的数据提供可鉴别性保护和不可否认性保护；通过SM3算法对车地通信的数据提供完整性保护。本发明提供了一种在应用了国产加密技术的信号系统中，基于传统KPI模型进行适应性改造并使用SM2算法进行身份验证的方法，使得信号系统的车地通信数据得到可鉴别性保护和不可否认性保护，同时为使用SM1、SM3算法对车地通信数据提供机密性保护和完整性保护打下前提基础。

如图1所示，一种基于云仿真技术的轨交国密算法测试方法，该方法分两部分为云管理机制与国密算法加密过程来分别阐述：

(1)云管理机制：

首先，通过客户端唤醒云端设备实现云端接入，依次为SaaS层级、PaaS层级、IaaS层级、物理适配层级和信号设备层级；

其次，初始化位于SaaS层级的仿真信号软件其中包括仿真车辆软件、仿真轨旁软件与其它仿真控制界面系列软件，将分布式仿真验证系统各层级的服务提供给云终端用户；

再者，初始化位于PaaS层级的各类服务，包括验证平台开发服务、部署服务、运行服务以及管理服务。用户可在验证平台开发服务资源池中选择相应的开发模型，确定并根据需要选择相应的部署软件，导入场景测试验证计划和测试验证用例，对测试验证过程进行完整监控及对测试验证后形成的结果进行自动分析，形成测试验证报告。同时在云端平台自动运行过程中，对整个测试验证进行各种资源的调配和综合管理。IaaS基础架构层级通过以太网络接口，和硬件适配物理层通信，驱动硬件适配物理层实现与各信号子系统联动；

最后，根据上述PaaS的计算和运行中间结果，动态调用IaaS层级的国密链接库和各类接口适配器资源池。其中国密链接库是国密芯片提供的函数接口，所有的加解密功能实现都是通过调用链接库在国密芯片中完成的，SaaS层的软件负责控制逻辑，然后调用国密芯片内部的动态链接库来完成加解密功能；

(2)国密加密过程：

本加密过程采用SM1、SM2和SM3国产加密算法，整个加密过程分为维护证书列表阶段、身份认证阶段、会话秘钥协商阶段及应用数据通信阶段；

1)维护更新证书列表阶段，如图2所示：

PKI/CA服务器定期更新数据库中的身份证书吊销列表(CRL)，以保持其准确性。SaaS层应用软件通过laaS层国密安全芯片向PKI/CA服务器更新证书吊销列表，以便在后续的身份认证阶段确认对应证书任然有效。

2)身份认证会话秘钥协商阶段，应用设备分为客户端和服务端，真实车载跟云端仿真车载做为客户端，真实轨旁设备与仿真轨旁设备作为服务端如图3所示：

客户端与服务端创建接口会话；

客户端发起秘钥协商请求，请求消息中包含了客户端的证书；

服务端验证客户端证书(CRL吊销列表、有效期、签发者关系、以及签名数据)后，再通过客户端的证书，服务器本地生成的随机数，根据SM2算法生成会话秘钥，然后秘钥协商请求进行响应，并向客户端发送服务器端证书与随机数；

客户端验证服务器证书(CRL吊销列表、有效期、签发者关系、以及签名数据)后，再根据客户端的证书、服务器证书及服务器本地生成的随机数，通过SM2算法生成会话秘钥，并对秘钥协商响应进行确认，向服务器发送会话秘钥；

服务器端对秘钥协商确认消息进行确认，确认会话秘钥一致性；

客户端对秘钥协商成功进行确认；

会话秘钥协商流程结束。

3)应用数据通信阶段，如图4所示：

客户端在发送应用数据前，通过国密安全芯片进行SM1加密，加密完成后再进行数据传输；

服务端在接收应用数据时，先通过国密安全芯片进行SM1加密，解密完成后再进行应用数据处理。

如图5所示，一种基于云仿真技术的轨交国密算法测试装置，该装置包括本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、硬件适配层以及各种轨道交通被测信号系统群。

对各模块进行阐述：

1、本地瘦客户端模块：

该模块包括云桌面操作部分、云桌面显示、云桌面管理。其中云桌面操作部分主要可实现测试验证用户的各种测试验证操作，包括测试验证计划的导入、测试验证用例的执行等。云桌面显示为整个平台提供友好的人机界面HMI。云桌面管理可对测试验证计划、测试验证用例、测试验证结果和报告进行可视化管理，包括测试验证计划的导入、测试验证用例的执行启动、干预和结束，以及测试验证报告和测试验证用例的映射表格管理、测试验证用例的数据库管理。

2、云端SaaS层：

SaaS(Software as a Service)，软件即服务层封装了服务应用接口，供用户虚拟机调用处理，用户可使用运行在云基础设施上的应用程序功能，可通过上述瘦客户端进行远程访问，提供相应的仿真平台开发服务、仿真平台部署服务、仿真平台运行服务和仿真平台管理服务。

3、云端PaaS层：

PaaS(Platform as a Service)，平台即服务。仿真平台服务为测试验证用户、开发者提供统一平台，测试验证开发者可以使用云环境下的开发语言和工具，管理和控制测试资源、访问数据库，开发出公用或专用的测试验证服务并发布到云基础架构上。测试验证用户可以在权限许可范围内，利用开发的测试验证平台服务接口，开发和编写相应的测试验证用例。

7、云端IaaS层：

IaaS(Infrastructure as a Service)，基础架构即服务。向用户提供由各类信号系统模拟接口资源池，用户可自行定义和组件所需要的测试验证接口，将硬件层的基础资源虚拟化，构建测试资源对应的虚拟资源池，为其他层级的服务调用，这些服务设备上面都需加国密安全芯片，来保障信息出入的安全。

8、验证硬件层：

该层级为基础的网络-信号转换层，把上述IaaS层传过来的网络消息进行解析，并打包转换成相应的被测系统所需接口。可打包转换成信号系统所需要的各类数字脉冲信号、任意波形信号、24/110V IO码位信号，以及带有安全通信协议的网络信号，并且这些网络消息中关于车载与轨旁之间的交互需经过国密芯片来加密解密。

加密算法使用国产密码SM1/SM2/SM3算法，加密设备使用国产密码加密卡，符合国家在重点行业中推广国产密码应用趋势，有利于自主可控，再结合云计算管理技术使此平台具有巨大的优势。该系统以用于基于国密的信号系统以及传统信号系统的厂内验证测试，保证了地铁线路信号系统的发布质量，显著提高了现场系统运行的安全性与测试验证效率，并有效降低了测试设备成本，将国密算法与互联网行业内的云技术相结合，是未来轨道交通信号系统测试验证平台的发展方向。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试方法，其特征在于，包括：

云管理测试过程，用于完成信号系统的测试；

国密算法加密过程，用于完成信号系统测试过程中的数据加密。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的云管理测试过程具体包括以下步骤：

步骤101)，通过客户端唤醒云端设备实现云端接入，依次为SaaS层级、PaaS层级、IaaS层级、物理适配层级和信号设备层级；

步骤102)，初始化位于SaaS层级的仿真信号软件，并将分布式仿真验证系统各层级的服务提供给云终端用户；

步骤103)，初始化位于PaaS层级的各类服务，包括验证平台开发服务、部署服务、运行服务以及管理服务；在验证平台开发服务资源池中选择相应的开发模型，确定并根据需要选择相应的部署软件，导入场景测试验证计划和测试验证用例，对测试验证过程进行完整监控及对测试验证后形成的结果进行自动分析，形成测试验证报告；同时在云端平台自动运行过程中，对整个测试验证进行各种资源的调配和综合管理；

步骤104)，根据上述PaaS的计算和运行中间结果，动态调用IaaS层级的国密链接库和各类接口适配器资源池。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的位于SaaS层级的仿真信号软件包括仿真车辆软件、仿真轨旁软件与其它仿真控制界面系列软件。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的国密链接库是国密芯片提供的函数接口，所有的加解密功能实现都是通过调用链接库在国密芯片中完成的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的国密算法加密过程采用SM1、SM2和SM3国产加密算法，整个加密过程分为维护证书列表阶段、身份认证阶段、会话秘钥协商阶段及应用数据通信阶段。

6.一种基于云仿真的带国密算法轨交信号系统测试装置，其特征在于，包括本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、验证硬件层，所述的本地瘦客户端、云端SaaS软件服务层、云端PaaS平台服务层、云端IaaS基础设备服务层、验证硬件层依次连接，所述的验证硬件层包括网络硬件层以及轨道交通被测信号系统，所述的网络硬件层通过国密芯片或者直接与轨道交通被测信号系统连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的本地瘦客户端包括：

云桌面操作部分，用于实现测试验证用户的各种测试验证操作，包括测试验证计划的导入、测试验证用例的执行；

云桌面显示，用于整个平台提供友好的人机界面HMI；

云桌面管理，用于对测试验证计划、测试验证用例、测试验证结果和报告进行可视化管理，包括测试验证计划的导入、测试验证用例的执行启动、干预和结束、以及测试验证报告和测试验证用例的映射表格管理、测试验证用例的数据库管理。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的云端SaaS软件服务层封装了服务应用接口，供用户虚拟机调用处理，通过所述的本地瘦客户端进行远程访问，提供相应的仿真平台开发服务、仿真平台部署服务、仿真平台运行服务和仿真平台管理服务。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的云端PaaS平台服务层为测试验证用户、开发者提供统一平台；

所述的云端IaaS基础设备服务层向用户提供由各类信号系统模拟接口资源池，用户可自行定义和组件所需要的测试验证接口，将硬件层的基础资源虚拟化，构建测试资源对应的虚拟资源池。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的验证硬件层把云端IaaS基础设备服务层传过来的网络消息进行解析，并打包转换成相应的被测系统所需接口，可打包转换成信号系统所需要的各类数字脉冲信号、任意波形信号、24/110VIO码位信号，以及带有安全通信协议的网络信号，并且这些网络消息中关于车载与轨旁之间的交互需经过国密芯片来加密解密。

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