CN115694826A - 基于编码及授时终端的安全云平台系统及授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于编码及授时终端的安全云平台系统及授时方法，所述系统包括授时终端和云平台，所述授时终端向云平台传输编码的授时时间戳信息，实现授时终端给云平台提供精确的授时服务；所述云平台内部根据接收的授时时间戳定时地生成时间校核字，提供给上层应用进行安全处理。与现有技术相比，本发明采用安全授时终端授时的方式替代云平台内部传统定时的方式，具有规避云平台内部定时可能产生的系统性失效和随机性失效等优点。

Description

基于编码及授时终端的安全云平台系统及授时方法

技术领域

本发明涉及安全云平台系统，尤其是涉及一种基于编码(NISAL技术)及授时终端的安全云平台系统及授时方法。

背景技术

近年来，随着云计算技术的发展，云平台被广泛应用到各行各业。由于云平台具有高扩展性、高灵活性特点，城市轨道交通行业开始应用于非安全系统子系统中，比如综合监控系统和列车自动监控系统。但对于像城市轨道交通行业一些实时性和安全性要求很高的嵌入式信号系统，目前仍然是空白；行业内在研究和推进使用云平台替代专用嵌入式系统的方案。行业内安全苛刻的设备(比如联锁、列控、无线闭塞中心、临时限速服务器、区域控制器、线路控制器)，均基于编码解决方案平台或非编码解决方案平台，其中编码方案对硬件要求比非编码方案底，但研发和使用的技术门槛高，人才队伍不易快速培养。对于未来的安全云平台方案中，如何安全地保证系统的时效性是一个重要课题。

目前，云平台系统的时效性校验一种解决方案是，云平台应用系统内部定时产生时间戳，然后其时效性通过安全通信协议，输出给通信远端的系统(一般是安全系统)来完成。例如，假设某控制系统由A系统(云平台虚拟机实现逻辑运算)和B系统(终端I/O实时安全系统)组成，其具体做法是：AB系统通信消息体中同时包含双方的时间戳；这样，B系统通过比较收到的消息中自己上一次的时间戳，对比系统当前的时间戳，计算出时间差来判断A系统发来的数据时效性是否正常。既有做法，云平台的时效性判断只能达到应用通信周期时间的级别，无法做到更精细的安全定时，且对于云平台应用系统而言无法自我检验时效性并进行安全处理。

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基于编码及授时终端的安全云平台系统及授时方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种基于编码及授时终端的安全云平台系统，包括授时终端和云平台，所述授时终端向云平台传输编码的授时时间戳信息，实现授时终端给云平台提供精确的安全授时服务；所述云平台内部根据接收的授时时间戳定时地生成时间校核字，提供给上层应用进行安全处理，使系统具备满足故障导向安全设计。

作为优选的技术方案，所述授时终端通过网络、高速串口、CAN口或PCI总线与云平台通信连接。

作为优选的技术方案，所述授时终端运行分为两个运行状态，分别为初始化状态和授时服务状态。

作为优选的技术方案，所述授时终端采用实时嵌入式系统，授时时间间隔根据云平台系统应用需要结合云平台系统与授时终端通信性能进行配置。

根据本发明的第二方面，提供了一种采用所述基于编码及授时终端的安全云平台系统的授时方法，该方法包括以下步骤：

步骤S101，授时终端初始化状态时，持续等待云平台发送授时初始请求消息，收到双通道初始授时请求并校验特通过后进入授时服务状态；

步骤S102，云平台内部双通道同步完成后，双通道均向授时终端发送授时初始请求消息；

步骤S103，授时终端进入授时服务状态后，定时生成两组编码的时间戳；

步骤S104，授时终端开启时间窗口，接受云平台通道1和通道2的授时请求；收到请求后，将编码时间戳发送给云平台的对应的通道；

步骤S105，云平台收到编码时间戳时，回复应答码；

步骤S106，授时终端在时间窗口内收到云平台双通道的正确应答码，则授时终端继续维持在授时服务状态；否则授时终端转到初始化状态，并返回步骤S101；

步骤S107，云平台双通道交互各自收到的时间戳，并对时间戳进行同步检查，如果双通道时间戳不同步，则告知应用系统进行安全处理，然后重新回到步骤S102；如果同步，执行步骤S108；

步骤S108，云平台计算双通道的时间校核字，提供给上层应用。

作为优选的技术方案，所述步骤S101和S102中的双通道授时初始请求消息为两组不同的特征值序列。

作为优选的技术方案，所述步骤S103中的编码的时间戳为伪随机数序列。

作为优选的技术方案，所述步骤S104中的时间窗口根据云平台与授时终端通信时间性能以及授时允许的误差进行配置。

作为优选的技术方案，所述步骤S105中的应答码为N个周期循环的一组编码，采用约定编码值每周期通过设定偏移量和偏移增量的方式变化产生。

作为优选的技术方案，所述N取32。

作为优选的技术方案，所述步骤S108中的时间校核字除可应用于云平台与外部通信校验域，还可用于云平台内部时序的自检。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用安全授时终端授时的方式替代云平台内部传统定时的方式，规避云平台内部定时可能产生的系统性失效；

(2)本发明授时时间戳为编码时间戳，规避了传输过程中的随机性失效；

(3)本发明安全授时终端采用了编码技术，对硬件有实时性要求，但没有安全性要求，硬件选择范围较广；

(4)本发明授时时间间隔可根据实际需要配置；

(5)本发明授时终端开放与云平台的通信时间窗口根据允许的容忍范围可配置；

(6)本发明双通道的时间戳可彼此校验；生成的校核字可用于上层应用校验，提升了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明云平台的软件流程示意图；

图2为本发明授时终端的软件流程示意图；

图3为本发明系统的结构示意图。

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。

本发明方法包括以下步骤：

(1)授时终端运行分为两个运行状态：初始化状态和授时服务状态；

(2)授时终端初始化状态时，持续等待云平台发送授时初始请求消息，收到双通道初始授时请求并校验特通过后进入授时服务状态；

(3)云平台内部双通道同步完成后，双通道均向授时终端发送授时初始请求消息；

(4)授时终端进入授时服务状态后，定时生成两组编码的时间戳；

(5)授时终端开启时间窗口，接受云平台通道1和通道2的授时请求；收到请求后，将编码时间戳发送给云平台的对应的通道；

(6)云平台收到编码时间戳时，回复应答码；应答码为N个周期循环的一组编码，防止应答码错误固化。

(7)授时终端在时间窗口内收到云平台双通道的正确应答码，则授时终端继续维持在授时服务状态；否则授时终端转到(1)的初始化状态；

(8)云平台双通道交互各自收到的时间戳，并对时间戳进行同步检查，如果双通道时间戳不同步，则告知应用系统进行安全处理，然后重新回到(3)的步骤；

(9)云平台计算双通道的时间校核字，提供给上层应用。

上述各步骤还包括以下特点：

所述的步骤(1)中授时终端采用实时嵌入式系统，确保实时性和可靠性；授时时间间隔可根据云平台系统应用需要结合云平台系统与授时系统通信性能进行配置；

所述的步骤(2)、(3)中的双通道授时初始请求消息为两组不同的特征值序列；

所述的步骤(4)中编码时间戳为伪随机数序列，确保随机性失效导致双通道产生合法时间戳的概率极低；

所述的步骤(5)中时间窗口根据云平台系统与授时系统通信时间性能以及授时允许的误差进行配置；

所述的步骤(6)中32个周期循环的一组编码，采用约定编码值每周期通过设定偏移量和偏移增量的方式变化产生；

所述的步骤(9)中的时间校核字除可应用于云平台与外部通信校验域，还可用于云平台内部时序的自检。

图1和图2为本发明基于编码的云平台安全授时方案的具体流程，完成授时终端到云平台的安全授时，结合图1和图2对以下同步控制步骤进行详细描述：

本发明提供了一种采用所述基于编码及授时终端的安全云平台系统的授时方法，该方法包括以下步骤：

在步骤seq1中，本实施例中，通道1发送特征值序列为0xAAAAAAAA，0x12345678，0xFFFFFFF；通道2发送的特征值序列为0xBBBBBBBB,0x87654321，0xEEEEEEEE。

在步骤seq2中，授时终端定时设置为18毫秒，时间窗口为4毫秒(18毫秒-22毫秒)；匹配云平台定时间隔配置为20毫秒，时间容忍范围为±2毫秒；

在步骤seq3中，云平台双通道定时配置为20ms，通道1发送请求授时，请求消息类型0x55，消息内容共5字节，包含1字节通道标志(0xAA表示1，0xBB表示2)和4字节时间戳计数(0x0～0xFFFFFFFF)；

在步骤seq4中，判断是否收到请求消息，根据收到的请求，给不同的通道回复编码时间戳；这里双通道的时间戳伪随机数序列通过LFSR算法实现；本实施例中选择的双通道初始值分别为0x12340234,0x87654321,种子0x0B7A7124；

在步骤seq5中，通道1的应答码为0x01F6FB3B,通道2的应答码为0xF9F6F33B；偏移量低2字节为0xA8A0+N*0x8A0，高2字节为(低2字节)+N*0xA0；其中，N的取值为[0,31]。

在步骤seq6中，按seq5类似规则校验应答码的正确性；

在步骤seq7中，通道1时间校核字为F1F6EB3B；通道2时间校核字为E9F6E33B；这两个校核字可由上层应用使用。

以上是关于方法实施例的介绍，以下通过系统实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。

如图3所示，本发明构成为云平台、授时终端、远程I/O设备1～N，各设备间通过网络连接通信。

云平台内部的定时不是由平台自身定时产生，而是由授时终端提供。授时终端提供编码的时间戳，一方面能防止随机性失效导致时间戳的异常跳变，另一方面多通道的时间戳可以互相校验。

本发明以云平台的2取2应用系统的双通道的安全授时为例，双通道分别称为通道1和通道2。对于3取2系统，可按相同方式再扩展一组时间戳即可。

本发明授时终端和云平台通过网络(或高速串口，CAN口，PCI总线等)通信的方式传输编码时间戳信息，实现授时终端给云平台提供精确的授时服务；同时，云平台系统内部能根据授时时间戳定时地生成时间校核字，提供给上层应用进行安全处理。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。

设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S101～S108。例如，在一些实施例中，方法S101～S108可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S101～S108的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S101～S108。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

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 (13)

1.一种基于编码及授时终端的安全云平台系统，其特征在于，包括授时终端和云平台，所述授时终端向云平台传输编码的授时时间戳信息，实现授时终端给云平台提供精确的安全授时服务；所述云平台内部根据接收的授时时间戳定时地生成时间校核字，提供给上层应用进行安全处理，使系统具备满足故障导向安全设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于编码及授时终端的安全云平台系统，其特征在于，所述授时终端通过网络、高速串口、CAN口或PCI总线与云平台通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于编码及授时终端的安全云平台系统，其特征在于，所述授时终端运行分为两个运行状态，分别为初始化状态和授时服务状态。

4.根据权利要求3所述的一种基于编码及授时终端的安全云平台系统，其特征在于，所述授时终端采用实时嵌入式系统，授时时间间隔根据云平台系统应用需要结合云平台系统与授时终端通信性能进行配置。

5.一种采用权利要求1所述基于编码及授时终端的安全云平台系统的授时方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S101，授时终端初始化状态时，持续等待云平台发送授时初始请求消息，收到双通道初始授时请求并校验特通过后进入授时服务状态；

步骤S102，云平台内部双通道同步完成后，双通道均向授时终端发送授时初始请求消息；

步骤S103，授时终端进入授时服务状态后，定时生成两组编码的时间戳；

步骤S104，授时终端开启时间窗口，接受云平台通道1和通道2的授时请求；收到请求后，将编码时间戳发送给云平台的对应的通道；

步骤S105，云平台收到编码时间戳时，回复应答码；

步骤S106，授时终端在时间窗口内收到云平台双通道的正确应答码，则授时终端继续维持在授时服务状态；否则授时终端转到初始化状态，并返回步骤S101；

步骤S107，云平台双通道交互各自收到的时间戳，并对时间戳进行同步检查，如果双通道时间戳不同步，则告知应用系统进行安全处理，然后重新回到步骤S102；如果同步，执行步骤S108；

步骤S108，云平台计算双通道的时间校核字，提供给上层应用。

6.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述步骤S101和S102中的双通道授时初始请求消息为两组不同的特征值序列。

7.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述步骤S103中的编码的时间戳为伪随机数序列。

8.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述步骤S104中的时间窗口根据云平台与授时终端通信时间性能以及授时允许的误差进行配置。

9.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述步骤S105中的应答码为N个周期循环的一组编码，采用约定编码值每周期通过设定偏移量和偏移增量的方式变化产生。

10.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述N取32。

11.根据权利要求5所述的授时方法，其特征在于，所述步骤S108中的时间校核字除可应用于云平台与外部通信校验域，还可用于云平台内部时序的自检。

12.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5～11中任一项所述的方法。

13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求5～11中任一项所述的方法。

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