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LonWorks工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全鑒別系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：孫社文1 王瑛2 林偉杰3 王瑞榮3 楊洪濤1 文檔來源： 1．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院 3．杭州電子科技大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月05日
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第48卷第5期
煤炭工程
COAL ENGINEERING V01．48，No．5
doi：10．1 1799／ce201605012
LonWorks工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全鑒別系統(tǒng)設(shè)計
孫社文1，王瑛2，林偉杰3，王瑞榮3，楊洪濤1
(1．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100042；2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083；
3．杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，浙江杭州310018)
摘要：設(shè)計了一種提高LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)安全性的安全鑒別系統(tǒng)。采用基于Time Server
硬件的不重復(fù)數(shù)鑒別方法，可利用時間服務(wù)器的信息用于鑒別，克服了傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)鑒別
“長報文’’低效問題，可以應(yīng)對“重放攻擊”，適應(yīng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)帶寬受限和實時性的特性。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；LonWorks
中圖分類號：TD679 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0959(2016)05—0037—03
Security identification system design for LonWorks industrial control network
SUN She—wenl，WANG Yin92，LIN Wei-jie3，WANG Rui—ron93，YANG Hong—ta01
(I．Beijing Polytechnic College，Beijing 100042，China；
2．School of Mechanical and Electrical Information Engineering，China Univemity of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；
3．School ofAutomation，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)
Abstract：The paper designs a secure authentication system for LonWorks control network．An identification method for
nonrepeating numbers using time server based hardware is used to identify the time server information，which can overcome
the inefficiencies in“l(fā)ong messages”identification of traditional control network，deal with the“replay attack”，adapt to
the limited bandwidth and real—time features of industrial control network．The experiment has proved that，this method is
simple，effective and reliable．
Keywords：network security；industrial control networks；lJ0nWorks
近幾年來．LonWorks技術(shù)在煤礦井下安全監(jiān)控、煤礦
信息傳輸?shù)认到y(tǒng)的研究及應(yīng)用越來越多?。尤其是基于電
力線傳輸媒體的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)在帶寬、傳輸距離以及
信號干擾方面已取得了長足進(jìn)步，受到人們的廣泛關(guān)注。
LonWorks技術(shù)在我國工業(yè)控制、智能樓字和住宅建設(shè)等領(lǐng)
域已成為國家級標(biāo)準(zhǔn)。LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)能夠支持不同的
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通訊介質(zhì)．廣泛應(yīng)用在工業(yè)、樓宇、能源及交
通等領(lǐng)域[2’3]。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展對控制網(wǎng)絡(luò)的安全性要求不斷提高，工業(yè)控
制網(wǎng)絡(luò)在功能上不僅應(yīng)具備安全鑒別機(jī)制和信息來源鑒別
功能，通常還要求其具備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的雙向身份鑒別功
能。在實際應(yīng)用中．工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)有別于常規(guī)的計算機(jī)信
息網(wǎng)絡(luò)，對其網(wǎng)絡(luò)的安全性要求絲毫不亞于計算機(jī)信息網(wǎng)
絡(luò)。國際上典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對其數(shù)據(jù)安全問題都非常
重視，然而，對于基于LonWorks技術(shù)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安
全性問題目前還沒有引起人們的足夠重視[4]。本文提出并
設(shè)計了一種基于時間服務(wù)器硬件的簡便鑒別機(jī)制。并使用
一種“不重復(fù)數(shù)(Nonce)”的方法實現(xiàn)了LonWorks網(wǎng)絡(luò)的
安全鑒別功能。
l不重復(fù)數(shù)的安全鑒別機(jī)制設(shè)計
1．1 常用的控制網(wǎng)絡(luò)安全鑒別方法
控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全．通常涉及如何防止非法用戶對
監(jiān)控數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的訪問和更改：如何保障監(jiān)控命令和數(shù)
據(jù)的安全可靠傳輸；如何防止傳輸過程中泄密以及如何防
止控制網(wǎng)絡(luò)被惡意攻擊等幾方面問題。
收稿日期：2015—12—08
基金項目：北京市2013年度科技計劃面上項目“基于LONWORKS技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研制”(KM201310853005)
作者簡介：孫社文(1967一)，男，陜西韓城人，博士，教授，現(xiàn)主要研究方向為電力線通信技術(shù)及其應(yīng)用，E-mail：
sunny@bgy．org．cn。
引用格式：孫社文，王瑛，林偉杰，等．LonWorks工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全鑒別系統(tǒng)設(shè)計[J]．煤炭工程，2016，48(5)：
37-39．
37
萬方數(shù)據(jù)
煤炭工程2016年第5期
采用鑒別機(jī)制來保障工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息安全是一種
常用的方法15—7J。此方法主要為防御對報文信息實施主動性
攻擊，通過對所收到的報文的鑒別(特別是對發(fā)送源的鑒
別)以判定其真?zhèn)巍?
與計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)所采用的對傳輸數(shù)據(jù)實施加密、解密
機(jī)制相比較，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用鑒別機(jī)制無需再配置復(fù)雜的
設(shè)備，從而可大大降低系統(tǒng)成本：而且在實際應(yīng)用中．多數(shù)
控制網(wǎng)絡(luò)并不需要對報文全文進(jìn)行加密，僅僅需要對傳輸報
文信息進(jìn)行“數(shù)字簽名(diOtal signature)”，以便于接收端能
夠通過鑒別(認(rèn)證)識別出真?zhèn)渭纯?。因此，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采
用鑒別機(jī)制在方法上也是簡單有效的。但是，采用鑒別機(jī)制
對長報文進(jìn)行“數(shù)字簽名”會極大地增加計算機(jī)的負(fù)荷，同
時需要很長的運(yùn)算時間，這是很不利的一方面。
1．2優(yōu)化方案
技術(shù)上，降低報文“數(shù)字簽名”的復(fù)雜度是優(yōu)化和解
決控制網(wǎng)絡(luò)鑒別“長報文”低效問題的途徑之一。引入
“報文摘要(message digest)”可以解決上述問題。
報文摘要是一種常用的實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)信息安全的、簡
單有效的鑒別方法。例如兩個通信節(jié)點(diǎn)A和B之間要進(jìn)行
信息傳遞。在發(fā)送端，通信節(jié)點(diǎn)A按照報文摘要算法，求
出要發(fā)送的報文x的報文摘要H。然后對報文摘要H進(jìn)行
“數(shù)字簽名”。將已簽名的報文摘要D(H)追加在要發(fā)送的
報文x之后，通過控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給通信節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行鑒別
(認(rèn)證)。由于報文摘要算法是采用單向哈希函數(shù)實現(xiàn)的，
它是一種散列函數(shù)，也是精心選擇的一種單向函數(shù)，其算
法的不可逆性、實現(xiàn)方法的簡單有效性，都使得報文摘要
算法在防止報文被人惡意篡改等方面應(yīng)用非常普遍。因此。
報文摘要在技術(shù)上優(yōu)化和解決了控制網(wǎng)絡(luò)鑒別“長報文”
的低效問題。
但是，由于報文鑒別是對發(fā)送源的鑒別(即對每一個收
到的報文，都要鑒別報文的發(fā)送者)。客觀上又存在明顯的
漏洞。假設(shè)某通信節(jié)點(diǎn)c侵入控制網(wǎng)絡(luò)，截獲通信節(jié)點(diǎn)A
發(fā)給通信節(jié)點(diǎn)B的報文。人侵的通信節(jié)點(diǎn)c并不必破譯此
報文，僅需要把這個由通信節(jié)點(diǎn)A加密的報文直接發(fā)送給
通信節(jié)點(diǎn)B，這樣很容易使通信節(jié)點(diǎn)B誤認(rèn)為報文就是通
信節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的，與其傳送報文，即遭受到所謂的“重放
攻擊(Replay Attack)”。人侵節(jié)點(diǎn)c甚至還可以截獲通信節(jié)
點(diǎn)A的IP地址實施IP欺騙．這些都給控制網(wǎng)絡(luò)的安全帶
來極大的隱患。
1．3不重復(fù)數(shù)的鑒別機(jī)制
為提高工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性。本文對常規(guī)報文鑒別
和實體認(rèn)證等控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層鑒別機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，提出
了使用不重復(fù)數(shù)的鑒別機(jī)制以應(yīng)對“重放攻擊”。這里的
“不重復(fù)數(shù)”就是指進(jìn)行安全鑒別時所使用的大隨機(jī)數(shù)不能
重復(fù)，即采用“一次一數(shù)”策略。
在LonWorks工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上。要實現(xiàn)應(yīng)用層鑒別可以
采用純軟件方案，無需另增硬件設(shè)備、技術(shù)實現(xiàn)容易。但
38
由于LonWorks網(wǎng)絡(luò)同一數(shù)據(jù)包在網(wǎng)上傳送需要4次．這樣
每一次的數(shù)據(jù)包都需要鑒別時，自然會增加網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗
及系統(tǒng)響應(yīng)時間。
為此，本文提出了建立在“時間服務(wù)器(Time Senrer)”
硬件基礎(chǔ)之上的不重復(fù)數(shù)鑒別方法。
2時間服務(wù)器(Time Serv日)的軟硬件設(shè)計
2．1 Time Server硬件結(jié)構(gòu)
Time Server主要功能是實現(xiàn)并保證整個LonWorks工業(yè)
控制系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的時間同步。其主要功能是實現(xiàn)系
統(tǒng)計時，并能夠?qū)崿F(xiàn)在一定的時間內(nèi)向網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)分發(fā)時
間信息。
Time Server的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖I所示。它主要由實
時時鐘(RTC)和Neuron(3150)芯片組成。其本身又是
LonWoAs網(wǎng)絡(luò)的一部分，通過收發(fā)器接入LonWorks網(wǎng)絡(luò)。
圖1 Time Server硬件結(jié)構(gòu)
選用Neuron Fr3150芯片、并配置一塊EEPROM
(SST29EE010)，收發(fā)器選用了ECHLON公司的UF5000智
能收發(fā)器芯片，同時利用ARM芯片(STM32F103)產(chǎn)生時
鐘[6]。圖1中的Neuron芯片負(fù)責(zé)從RTC中取得時間信息，
并在指定的時刻通過收發(fā)器向各節(jié)點(diǎn)分發(fā)。
時鐘芯片中有非易失性存儲器。存放當(dāng)前系統(tǒng)中的節(jié)
點(diǎn)信息，如時間廣播間隔、廣播報文序號、節(jié)點(diǎn)地址等等．
以便于時間信息的分發(fā)。
2．2 Time Server軟件功能實現(xiàn)
Time SeHer的服務(wù)器端軟件流程如圖2所示。Time
Se“er軟件功能主要有：一是會定期向全網(wǎng)廣播時間消息，
以達(dá)到全網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的時間同步要求；二是其隨時接受來
自各節(jié)點(diǎn)(Client)的時間同步請求，例如當(dāng)節(jié)點(diǎn)重啟、重新
安裝時．Cliem都需要向Time Server發(fā)出時間同步請求。
獲取本節(jié)點(diǎn)smJgtJl：
獲取并計算定時發(fā)送
時間間隔
啟動定時器，激活與
ARM的通訊接口
ARM每隔1S更新一次
nvoCIoek的值
修正時間
定時時間間隔到，構(gòu)建
更新時間廣播報文
當(dāng)nviCIock被設(shè)
置改變時二二工二
將其當(dāng)前值寫入
ARM并更新巧鑫～網(wǎng)絡(luò)變量一
當(dāng)Instal改變時二二二[二
重新計算定時時
間間隔
圖2 Time Server流程
萬方數(shù)據(jù)
2016年第5期煤炭工程
開發(fā)編程時對各種情況下的時間服務(wù)報文進(jìn)行了規(guī)范和
定義，時間廣播報文格式見表1，Client節(jié)點(diǎn)時間同步請求報
文格式見表2，Time Server時間同步請求響應(yīng)格式見表3。
表1時間廣播報文格式
報文序號Date／Time Diges(8)
Node Date／Time Digest(8)
3基于Time Server的不重復(fù)數(shù)鑒別系統(tǒng)
3．1 Client節(jié)點(diǎn)之間通信認(rèn)證流程
3．1．1 Client節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)
發(fā)送Client節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式見表4。表中Message Data為
Message code和message Data兩個部分．Date／Time與前一
致，Digest(8)為摘要值(消化值)。
表4 CHent節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)格式
Message Data Date／Time Digest(8)
采用Neuron C編寫一個MsgSendProcess()函數(shù)，將原
始的Message Data數(shù)據(jù)處理成以上的數(shù)據(jù)格式。
3．1．2 Client節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)
接收時，接收方Client節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)計算出一
個摘要值(消化值)，與收到的摘要值(消化值)進(jìn)行比較。
采用Neuron C編寫一個MsgRevProcess()函數(shù)將收到的
數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分割出message data和message code。接收方
Client節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的時間，比較對方Client節(jié)點(diǎn)的時間，
找出數(shù)據(jù)包的源地址，然后用它自己的算法功能來消化數(shù)
據(jù)，并對摘要值(消化值)進(jìn)行比較。
同時為防止“重放攻擊”．在接收Client節(jié)點(diǎn)設(shè)置一時
間窗口。若Client節(jié)點(diǎn)接收到的時間與自身時間的差超過
時間窗口則丟棄該報文。用顯式報文方式時，收到的數(shù)據(jù)
也有一定的格式。
3．2用LNS System Plug—in進(jìn)行系統(tǒng)級認(rèn)證
在應(yīng)用消化函數(shù)時，很重要的一個部分是各節(jié)點(diǎn)已經(jīng)
具備了一個統(tǒng)一的密鑰。這樣．這個密鑰應(yīng)該在什么時候
以什么方式傳送到節(jié)點(diǎn)是另一個關(guān)鍵的問題。
因此，還需用LNS System Plug—in進(jìn)行系統(tǒng)級認(rèn)證。其
主要是通過向各節(jié)點(diǎn)分發(fā)共享密鑰的方式來實現(xiàn)。除了密
鑰分發(fā)之外．還需向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送時間窗口信息以及向Time
Server發(fā)送時間廣播的間隔等信息。
3．3 系統(tǒng)測試
為驗證基于時間服務(wù)器的不重數(shù)鑒別方法的可行性．
模擬了現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，以驗證控制網(wǎng)絡(luò)安全鑒別流程的實
際應(yīng)用效果。
首先按照認(rèn)證方式設(shè)置LonWorks網(wǎng)絡(luò)。在LonWorks
控制網(wǎng)絡(luò)中連接了1臺Time Server節(jié)點(diǎn)．19臺Client節(jié)點(diǎn)
(普通節(jié)點(diǎn))及相關(guān)傳感器、執(zhí)行器等。再使用LonMaker將
它們組網(wǎng)，分別下載對應(yīng)的服務(wù)器和客戶端相關(guān)程序．同
時使它們在邏輯上處于同一網(wǎng)絡(luò)：使用U10網(wǎng)絡(luò)接口卡和
LonScanner協(xié)議分析儀采集通訊信道上的數(shù)據(jù)包，分辨、
采集相關(guān)安全鑒別算法數(shù)據(jù)包。分析實現(xiàn)效果。
按照步驟分別對Time Server功能、Client節(jié)點(diǎn)時間同步
請求、Client節(jié)點(diǎn)收發(fā)報文等功能進(jìn)行測試。
測試結(jié)果顯示Time Server節(jié)點(diǎn)時鐘誤差低：：f：+5ppm(每
天誤差不超過0．25s)，時間廣播功能正常。
Client節(jié)點(diǎn)時間同步請求測試證明：在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)復(fù)位
某一Client節(jié)點(diǎn)后，0．5s內(nèi)能接收到系統(tǒng)時鐘并開始計時。
Client節(jié)點(diǎn)收發(fā)報文測試測試證明：指定某一對Client
節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報文收發(fā)時。報文發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出報文后，接收節(jié)
點(diǎn)均即刻做出了響應(yīng)。
4結(jié)語
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)由于受帶寬的限制和實時性的要求，希
望在其上實現(xiàn)的通信鑒別機(jī)制能夠簡單有效。針對控制網(wǎng)
絡(luò)的帶寬和實時性的要求，本文基于ImnWorks技術(shù)，采用
基于硬件時間服務(wù)器的不重復(fù)數(shù)鑒別方法。設(shè)計并建立了
基于LonWorks技術(shù)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全鑒別系統(tǒng)。經(jīng)實
驗驗證．本文所設(shè)計的安全鑒別系統(tǒng)實現(xiàn)了LonWorks控制
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的鑒別功能，方法簡潔有效，性能可靠。本鑒
別機(jī)制不僅能夠滿足大部分場景下控制網(wǎng)絡(luò)鑒別的需求，
而且能夠利用時間服務(wù)器的信息用于鑒別。大大減少網(wǎng)絡(luò)
的數(shù)據(jù)流量，具備較高的理論研究及實用價值。
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(責(zé)任編輯楊蛟洋)
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