物联网元素气象监测系统的信息安全

### 物联网元素气象监测系统的信息安全 #### 1. 引言 保护我们周围的自然环境是一项极其复杂且多层次的任务。环境恶化并非总是人类有计划行动的结果，因此观察自然至关重要，这有助于预测人类活动的负面影响和自然灾害的发生。 近年来，人们生活质量的提高伴随着环境的恶化，如空气污染、水污染和土壤污染等威胁着人们的健康。为应对城市化和工业化带来的负面影响，环境监测成为一种重要方法。 环境监测系统（EMSs）可用于观察和控制环境状态，支持自然资源的合理利用、环境保护以及经济系统的稳定运行。然而，这些系统可能在极端条件下工作，还可能成为网络攻击的目标。为提高监测系统的预测准确性，越来越多地使用物联网（IoT）中的测量元素，但这也增加了系统面临的安全风险。 #### 2. 环境监测的概念 环境监测通常被定义为观察和控制系统，支持自然资源的合理利用和环境保护。另一种定义是通过测量环境组件和生物圈的选定特征进行永久观察的系统。 环境监测系统的功能架构如图1所示，它不仅能跟踪和评估环境状态，还能预测可能的变化和估计潜在威胁。测量的频率和精度与当前威胁水平成正比，监测和预测子系统或控制子系统可提高测量精度，控制子系统还负责启动应急安全程序。  该系统存在一些潜在的安全信息风险： - 负责测量的组件计算能力较低，难以使用传统保护方法确保数据安全。 - 在通信连续性受到威胁时，可能需要使用公共通信渠道，此时应用传统安全技术可能困难甚至不可能。 监测系统的主要功能是收集环境中的物理现象信息，其激活和数据收集程序的结构如图2所示。测量传感器用于获取物体或物理过程的信息，转换器用于转换能量形式，模拟 - 数字和数字 - 模拟转换器用于转换电信号。  分析监测系统的运行程序可知，信息收集程序受到攻击可能导致环境参数的错误测量，使威胁估计系统失去准确信息；测量激活程序受到攻击可能导致测量终止。 现代监测的基本技术是无线通信网络，即传感器网络，其基本任务包括： - 确保系统组件之间的通信。 - 预处理测量数据。 - 在关键情况下做出决策。 传感器网络节点密集分布在监测区域，具有低计算性能、低能耗和100米通信能力等特点。它们还具有先进的小型化、自主供电、信息重传、易于安装和扩展以及自我修复和组织等特性。然而，传感器网络在通信方面容易受到网络攻击，数据传输通道可能被干扰或扭曲。引入5G网络可能会改善监测网络的安全性。 IT和ICT组件在EMSs的设计、构建和运行中起着重要作用，监测和预测的有效性取决于它们提供的信息和分析工具。为了有效进行危机管理，环境状态信息必须可靠且及时。 在监测系统的设计中，有两种不同的概念： | 概念 | 特点 | 优点 | 缺点 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | 第一种 | 假设环境条件位置稳定，测量节点分布基于污染源位置和移动方式 | 设计、构建和运行成本相对较低 | 只能跟踪指定区域的环境状态 | | 第二种 | 假设有害因素在整个监测区域出现的概率相同，测量节点分布在整个区域 | 能跟踪固定和移动污染源 | 通信设计相对复杂 | #### 3. 传感器监测网络的层次结构 大多数现代监测系统采用层次结构，这对系统的设计和安全有互补影响。层次结构增加了组件之间关系的复杂性和设计过程的复杂度，但使用层次系统理论的方法可以将设计过程分为相对独立的阶段。不过，这种分阶段设计会降低项目质量，增加严重故障的可能性。而一步式设计虽然能获得最优解，但需要新的数学建模方法和高性能处理技术。 将监测系统分层可以独立保护每一层，提高安全水平，但层间通信可能存在安全漏洞。传感器网络源于蜂窝无线网络，通常具有三到五层的多级层次结构和异构性。异构通信具有多种优势，如提供多种用户与网络集成方式和构建多协议多媒体通信系统的可能性。 层次结构使环境监测网络符合通用信息系统的发展方向，层次系统具有以下优点： - 便于分析和综合复杂系统。 - 功能模块高度专业化。 - 简化运营、维护和服务，特别是在信息安全方面。 层次系统的常见特征包括功能子系统的顺序部署、高层对低层的优势以及反馈机制。图3展示了多层层次系统的一般结构，图4是一个实际的传感器网络层次模型示例。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(1级子系统):::process --> B(N - 1级子系统):::process B --> C(N级子系统):::process D(干扰):::process --> A E(干扰):::process --> B F(反馈 ```