CN113395256A - 一种sil4设备保持网口安全输出的方法和系统及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SIL4设备保持网口安全输出的方法和系统及电子设备，通过编解码，拆分数据的方式，由多个易于实现的SIL程序，保障某个SIL4程序在导向安全时，其网口输出能够维持在安全侧。由于各SIL计算单元是独立的，多个SIL的整体失效率能够远低于SIL4的要求；同时加密解密的口令可以使用简单的BOOL判断，也可以使用XOR、DES等对称加解密算法，形式化证明其失效概率，SIL计算单元可以部署在通用服务器，个人PC，以及相应的嵌入式设备。

Description

一种SIL4设备保持网口安全输出的方法和系统及电子设备
技术领域
本发明属于通讯技术领域，具体涉及通讯安全技术。
背景技术
常见的SIL4设备通常使用两个独立的、满足SIL4指标的安全计算单元进行二取二，或者三取二表决，以及一个独立的监控单元用于监控各个安全计算单元。正常运行情况下，SIL4安全设备经过表决后，利用各种安全协议，通过网口向对方发送通信数据。在SIL4设备导向安全时，嵌入式设备使用下电方式切掉网口电源。
由于云上运行着若干个SIL4程序，如果因一个SIL4程序导向安全而切掉网口电源，会导致其它SIl4程序无法继续使用网口对外通信。对于使用通用服务器的运行环境，切掉网口无法满足SIL4的指标，需要外接其它设备。
另外，继电器需要在运行期间实行静态、动态回检，同时由于网口一旦断电，对方网络设备就会检测得到，因此需要使用重力继电器或者带强制导杆的继电器，体积较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，保障云上SIL4程序的高可用性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，包括如下步骤：
步骤S1：每个安全计算单元在表决后，对外输出网口数据时，将数据切割成若干份，并对切割后的每份数据向监控单元申请对应的口令，并进行加密，然后每份数据独立发往不同的SIL计算单元；
步骤S2：每个SIL计算单元收到对应数据后，向监控单元申请相应的口令，用于还原原始数据，之后向NS计算单元发送；
步骤S3：NS计算单元将所有SIL计算单元发送下来的数据拼装成一个，向对方发送；
步骤S4：当监控单元发现一个SIL计算单元，或者一个安全计算单元存在失效风险时，向其余的SIL计算单元发送错误的口令，使得安全计算单元加密后的数据，经SIL计算单元解密后得到错误的数据，最终使得NS计算单元向对方发送的数据，是不符合安全协议要求，能够被对方识别出来丢弃掉，从而使得安全网口在导向安全的情况下，能够维持在SIL4安全侧；
对于正常的安全计算单元及SIL计算单元，监控单元仍然正常分发口令。
优选的，在SIL计算单元向监控单元申请相应的口令时，SIL计算单元附带判别信息，用于监控单元判别SIL计算单元的失效风险。
优选的，所述SIL计算单元的安全等级为SIL0、SIL1、SIL2或者SIL3。
优选的，数据加密解密口令使用BOOL判断或者使用对称加解密算法。
本发明还提供了一种SIL4设备保持网口安全输出的系统，包括：
安全计算单元：至少两个独立的、满足SIL4指标的安全计算单元进行多取二表决，每个安全计算单元在表决后，对外输出网口数据时，将数据切割成若干份，并对切割后的每份数据向监控单元申请对应的口令，并进行加密，然后每份数据独立发往不同的SIL计算单元；
监控单元：用于监控SIL计算单元以及安全计算单元；
SIL计算单元：若干个SIL计算单元相互独立，所述SIL计算单元的安全等级低于SIL4，每个SIL计算单元收到对应数据后，向监控单元申请相应的口令，用于还原原始数据，之后向NS计算单元发送；
NS计算单元：所述NS计算单元将所有SIL计算单元发送下来的数据拼装成一个，向对方发送；
其中，在SIL计算单元向监控单元申请相应的口令时，SIL计算单元附带判别信息，用于监控单元判别SIL计算单元的失效风险；
当监控单元发现一个SIL计算单元，或者一个安全计算单元存在失效风险时，向其余的SIL计算单元发送错误的口令，使得安全计算单元加密后的数据，经SIL计算单元解密后得到错误的数据，最终使得NS计算单元向对方发送的数据，是不符合安全协议要求，能够被对方识别出来丢弃掉，从而使得安全网口在导向安全的情况下，能够维持在SIL4安全侧；
对于正常的安全计算单元及SIL计算单元，监控单元仍然正常分发口令。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种SIL4设备保持网口安全输出的方法的步骤。
本发明采用的技术方案，通过编解码，拆分数据的方式，由多个易于实现的SIL程序，保障某个SIL4程序在导向安全时，其网口输出能够维持在安全侧，通过软件方式而不是下电方式，保障了云上SIL4程序的高可用性。
因此，具有如下有益效果：
1.安全性强
由于各SIL计算单元是独立的，多个SIL的整体失效率能够远低于SIL4的要求；同时加密解密的口令可以使用简单的BOOL判断，也可以使用XOR、DES等对称加解密算法，形式化证明其失效概率。
2.实现简单
SIL计算单元的安全等级为SIL0、SIL1、SIL2或者SIL3，优选SIL0，因此开发难度远低于SIL4。
3.通用性强
SIL计算单元可以部署在通用服务器，个人PC，以及相应的嵌入式设备。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为本发明一种SIL4设备保持网口安全输出的系统结构框图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对本发明具体实施方式中出现的相关术语解释如下：
安全计算单元：独立的安全计算程序，运行在云上，其SIL等级满足安全规定，通常为SIL4等级。
监控单元：利用反应式故障监控一个SIL4设备是否存在故障。
SIL计算单元：满足任意SIL等级的计算单元。
NS计算单元：对SIL等级无要求的计算单元。
实施例一
如图1所示，若干台服务器形成云，安全计算单元，即云上SIL4程序，运行在云上，安全计算单元受云服务器管理，运行在任意一个服务器上，若干个云上SIL4程序，通过多数表决，最终对外体现形成了一个SIL4设备。以二取二为例，安全计算单元APP_X_1与APP_X_2共同组成一个SIL4设备。
1、SIL4设备启动时，与监控单元建立数据通信；SIL计算单元也一样。
2、监控单元通过反应式故障原理监控SIL4设备：SIL4设备是否按预设正常运行。
3、当云上SIL4安全计算单元及SIL计算单元均正常运行时，监控单元向它们分发相应的密钥，其中云上安全计算单元用于“加密”，SIL计算单元用于“解密”。
4、SIL4设备经多数表决后，将输出报文分解成M乘以N份(M＝云上SIL4安全计算单元，N＝SIL计算单元个数)，每份数据使用相应的密钥“加密”。
5、SIL计算单元收到SIL4安全设备发过来的数据，用相应的密钥“解密”，之后发给NS计算单元。
6、NS计算单元收到SIL4计算单元发过来的数组，组装成一个完整的数据包，通过网络发过远端通信的对方设备。
7、当云上SIL4安全计算单元及SIL计算单元任意一个不正常时，监控单元向它们分发错误的密钥，使得经“加密”、“解密”后，NS计算单元组装得到的是错误的数据包，能够被对方设备识别出来(比如不符合协议要求，不能解密的数据包)。
一种SIL4设备保持网口安全输出的系统，包括：
安全计算单元：至少两个独立的、满足SIL4指标的安全计算单元进行多取二表决，每个安全计算单元在表决后，对外输出网口数据时，将数据切割成若干份，并对切割后的每份数据向监控单元申请对应的口令，并进行加密，然后每份数据独立发往不同的SIL计算单元；
监控单元：用于监控SIL计算单元以及安全计算单元(云上SIL4程序)；
SIL计算单元：若干个SIL计算单元相互独立，所述SIL计算单元的安全等级低于SIL4，每个SIL计算单元收到对应数据后，向监控单元申请相应的口令，用于还原原始数据，之后向NS计算单元发送；
NS计算单元：所述NS计算单元将所有SIL计算单元发送下来的数据拼装成一个，向对方发送；
其中，在SIL计算单元向监控单元申请相应的口令时，SIL计算单元附带判别信息，用于监控单元判别SIL计算单元的失效风险；
当监控单元发现一个SIL计算单元，或者一个安全计算单元存在失效风险时，向其余的SIL计算单元发送错误的口令，使得安全计算单元加密后的数据，经SIL计算单元解密后得到错误的数据，最终使得NS计算单元向对方发送的数据，是不符合安全协议要求，能够被对方识别出来丢弃掉，从而使得安全网口在导向安全的情况下，能够维持在SIL4安全侧；
对于正常的安全计算单元及SIL计算单元，监控单元仍然正常分发口令。
实施例二
一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，包括如下步骤：
步骤S1：每个安全计算单元在表决后，对外输出网口数据时，将数据切割成若干份，并对切割后的每份数据向监控单元申请对应的口令，并进行加密，然后每份数据独立发往不同的SIL计算单元；
步骤S2：每个SIL计算单元收到对应数据后，向监控单元申请相应的口令，用于还原原始数据，之后向NS计算单元发送；
步骤S3：NS计算单元将所有SIL计算单元发送下来的数据拼装成一个，向对方(远端通信设备)发送；
步骤S4：当监控单元发现一个SIL计算单元，或者一个安全计算单元存在失效风险时，向其余的SIL计算单元发送错误的口令，使得安全计算单元加密后的数据，经SIL计算单元解密后得到错误的数据，最终使得NS计算单元向对方发送的数据，是不符合安全协议要求，能够被对方识别出来丢弃掉，从而使得安全网口在导向安全的情况下，能够维持在SIL4安全侧；
云上运行的一组若干个SIL4程序，经多数表决后，对外体现成一个SIL4设备，多组SIL4程序对外体现成多个SIL4设备。
监控单元利用反应式故障原理，监控一个SIL4设备下的各个部分：云上SIL4程序，以及SIL计算单元，是否按预设运行。任意一个部件失效，均认为整个SIL4设备失效。
对于正常的安全计算单元及SIL计算单元，监控单元仍然正常分发口令。
SIL计算单元可以部署在通用服务器，个人PC，以及相应的嵌入式设备，通用性强。由于各SIL计算单元是独立的，多个SIL的整体失效率能够远低于SIL4的要求；同时加密解密的口令可以使用简单的BOOL判断，也可以使用XOR、DES等对称加解密算法，形式化证明其失效概率，BOOL判断或者对称加解密算法具体参考现有技术。因此，安全性强。
进一步的，在SIL计算单元向监控单元申请相应的口令时，SIL计算单元附带判别信息，用于监控单元判别SIL计算单元的失效风险。对于云上SIL4安全计算单元，信息包括是否按预设运行程序，监控单元发过来的密钥是否正确使用，底下的SIL程序主要是监控单元发过来的密钥是否正确使用。
为了使SIL计算单元实现简单，所述SIL计算单元的安全等级为SIL0、SIL1、SIL2或者SIL3。因此开发难度远低于SIL4。
实施例三
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例二所述的一种SIL4设备保持网口安全输出的方法的步骤。
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，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：每个安全计算单元在表决后，对外输出网口数据时，将数据切割成若干份，并对切割后的每份数据向监控单元申请对应的口令，并进行加密，然后每份数据独立发往不同的SIL计算单元；
步骤S2：每个SIL计算单元收到对应数据后，向监控单元申请相应的口令，用于还原原始数据，之后向NS计算单元发送；
步骤S3：NS计算单元将所有SIL计算单元发送下来的数据拼装成一个，向对方发送；
步骤S4：当监控单元发现一个SIL计算单元，或者一个安全计算单元存在失效风险时，向其余的SIL计算单元发送错误的口令，使得安全计算单元加密后的数据，经SIL计算单元解密后得到错误的数据，最终使得NS计算单元向对方发送的数据，是不符合安全协议要求，能够被对方识别出来丢弃掉，从而使得安全网口在导向安全的情况下，能够维持在SIL4安全侧；
对于正常的安全计算单元及SIL计算单元，监控单元仍然正常分发口令。
2.根据权利要求1所述的一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，其特征在于：在SIL计算单元向监控单元申请相应的口令时，SIL计算单元附带判别信息，用于监控单元判别SIL计算单元的失效风险。
3.根据权利要求1所述的一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，其特征在于：所述SIL计算单元的安全等级为SIL0、SIL1、SIL2或者SIL3。
4.根据权利要求1所述的一种SIL4设备保持网口安全输出的方法，其特征在于：数据加密解密口令使用BOOL判断或者使用对称加解密算法。
5.一种SIL4设备保持网口安全输出的系统，其特征在于包括：
安全计算单元：至少两个独立的、满足SIL4指标的安全计算单元进行多取二表决，每个安全计算单元在表决后，对外输出网口数据时，将数据切割成若干份，并对切割后的每份数据向监控单元申请对应的口令，并进行加密，然后每份数据独立发往不同的SIL计算单元；
监控单元：用于监控SIL计算单元以及安全计算单元；
SIL计算单元：若干个SIL计算单元相互独立，所述SIL计算单元的安全等级低于SIL4，每个SIL计算单元收到对应数据后，向监控单元申请相应的口令，用于还原原始数据，之后向NS计算单元发送；
NS计算单元：所述NS计算单元将所有SIL计算单元发送下来的数据拼装成一个，向对方发送；
其中，在SIL计算单元向监控单元申请相应的口令时，SIL计算单元附带判别信息，用于监控单元判别SIL计算单元的失效风险；
当监控单元发现一个SIL计算单元，或者一个安全计算单元存在失效风险时，向其余的SIL计算单元发送错误的口令，使得安全计算单元加密后的数据，经SIL计算单元解密后得到错误的数据，最终使得NS计算单元向对方发送的数据，是不符合安全协议要求，能够被对方识别出来丢弃掉，从而使得安全网口在导向安全的情况下，能够维持在SIL4安全侧；
对于正常的安全计算单元及SIL计算单元，监控单元仍然正常分发口令。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如1-4中任一项所述的一种SIL4设备保持网口安全输出的方法的步骤。
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