朱 月，陳 寧，高祥濤，王美玲，趙 峰

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇南京210029；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇南京210000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)水利信息化建設(shè)飛速發(fā)展，水利部陸續(xù)實(shí)施了一系列水利信息化建設(shè)戰(zhàn)略。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水利物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備被廣泛應(yīng)用于水文數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)報(bào)、水資源管理、防汛指揮調(diào)度、水利工程視頻監(jiān)控等場(chǎng)景，水利感知基礎(chǔ)信息得到了快速傳輸及有效應(yīng)用，為“智慧水利”的發(fā)展提供了有力保障［1］。

但是，在江蘇省范圍內(nèi)，現(xiàn)有的水利物聯(lián)網(wǎng)傳感終端數(shù)量龐大，且多分散部署在水利系統(tǒng)的各個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間一般采用RS-232、RS-485等線路連接，通信協(xié)議也主要采用Modbus 協(xié)議［2］。由于線路以及Modbus 協(xié)議沒(méi)有數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證等保護(hù)機(jī)制，傳感終端與上位機(jī)通信線路很容易遭受數(shù)據(jù)竊取、偽造等攻擊［3］。同時(shí)，江蘇省已建系統(tǒng)數(shù)量龐大，系統(tǒng)改造或重建成本較高。因此，只能在現(xiàn)有設(shè)備、線路的條件下，通過(guò)低成本的改造措施，保障水利工業(yè)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

本文利用國(guó)產(chǎn)密碼設(shè)備實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的加密與認(rèn)證，在RS-232、RS-485 接口上安裝加密設(shè)備，并在傳感終端和上位機(jī)之間分別部署，是一個(gè)物理安全的實(shí)體。通過(guò)密碼設(shè)備間的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加解密，構(gòu)建傳感終端和上位機(jī)間的安全信道。PLC 端加密設(shè)備主要是對(duì)主控端的命令進(jìn)行加密，對(duì)應(yīng)答進(jìn)行解密；傳感終端加密設(shè)備主要對(duì)主控命令進(jìn)行解密，對(duì)應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。加密設(shè)備部署在實(shí)驗(yàn)室與實(shí)地環(huán)境試運(yùn)行后，數(shù)據(jù)讀取正常，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1 研究背景

2010年6月，位于納坦茲的伊朗核設(shè)施遭到病毒攻擊，一臺(tái)濃縮鈾離心機(jī)被破壞，導(dǎo)致該核設(shè)施功能癱瘓，這是名為震網(wǎng)（Stuxnet）的病毒首次被發(fā)現(xiàn)［4］。震網(wǎng)是第一個(gè)專(zhuān)門(mén)定向攻擊真實(shí)世界中關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的病毒，被設(shè)計(jì)成針對(duì)西門(mén)子公司的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)（SCADA）SIMATIC WinCC 進(jìn)行攻擊，其目標(biāo)包括核電站、水壩、國(guó)家電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施。

此類(lèi)攻擊并不直接攻擊測(cè)量控制單元（MCU）等上位機(jī)使用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，而是通過(guò)攻擊可編程邏輯控制器（PLC）等下位機(jī)使用的控制總線和傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)其戰(zhàn)略或戰(zhàn)術(shù)目的［5］。

當(dāng)下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于能源、水利、交通等各個(gè)與國(guó)民生活密切相關(guān)的領(lǐng)域，在上述行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施中，存在著大量傳感器以及連接它們的網(wǎng)絡(luò)。與基于分組交換技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同，傳感器大多數(shù)是依賴(lài)于總線結(jié)構(gòu)的電路交換網(wǎng)絡(luò)。隨著震網(wǎng)等攻擊傳感器網(wǎng)絡(luò)的病毒和工具被發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中傳感器網(wǎng)絡(luò)正在面臨著前所未有的威脅［6］。

而國(guó)內(nèi)外對(duì)于Modbus協(xié)議的安全性研究尚處于初級(jí)階段，工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)所面臨的信息安全風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有得到廣泛的重視，在國(guó)內(nèi)這一問(wèn)題更加突出。

本文將國(guó)產(chǎn)密碼芯片應(yīng)用于水利自動(dòng)化控制協(xié)議中，通過(guò)國(guó)產(chǎn)密碼產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)水利行業(yè)的具體應(yīng)用，具有較高的研究?jī)r(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

2 加密模塊設(shè)計(jì)

本文擬在在自動(dòng)化控制設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線之間部署硬件加密設(shè)備，其在實(shí)際環(huán)境部署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加密設(shè)備部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全傳輸，加密設(shè)備研發(fā)的重點(diǎn)是加密模塊的設(shè)計(jì)與部署。加密模塊支持國(guó)產(chǎn)SM1、SM2、SM3、SM4 算法以及RSA、SHA-1/256/384/512等算法，工作密鑰采用預(yù)置的方式，加密模塊中包含可編程CPU，在特殊場(chǎng)合也可以實(shí)現(xiàn)密鑰協(xié)商工作模式。為了適應(yīng)水利工程控制系統(tǒng)環(huán)境的要求，加密模塊設(shè)計(jì)需注意以下幾點(diǎn)。

一是明確加密模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能和性能，明確設(shè)備的軟、硬件配置，明確部署平臺(tái)和接口標(biāo)準(zhǔn)等。

二是保證密碼運(yùn)算的正確性，密鑰生命周期全過(guò)程的安全性，加密模塊自身的安全防護(hù)和可靠性。

三是注意現(xiàn)場(chǎng)部署環(huán)境、功耗等條件。加密模塊從硬件芯片選型、軟件低功耗待機(jī)設(shè)置等多個(gè)方面進(jìn)行了低功耗以及設(shè)備小型化設(shè)計(jì)。

四是考慮水利工控系統(tǒng)實(shí)際環(huán)境。實(shí)際部署環(huán)境多靠近水域，多家設(shè)備在同一場(chǎng)景中需考慮設(shè)備電磁兼容性防護(hù)，因此需要對(duì)加密設(shè)備的485通信接口做光耦隔離，最大限度保證設(shè)備功能運(yùn)轉(zhuǎn)不受外部雜波信號(hào)影響。同時(shí)，需要對(duì)機(jī)殼做好密封處理，采用航插方式對(duì)電源、信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。

水利數(shù)據(jù)采集通信加密模塊作為獨(dú)立的硬件加密模塊，串聯(lián)在傳感終端的RS485 傳輸線路中，通過(guò)RS485連接，對(duì)RS485線路上的雙向數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密運(yùn)算，保障RS485線路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。水利傳感終端線路保護(hù)加密模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，硬件加密模塊設(shè)備具體參數(shù)如下：

（1）加密模塊尺寸為60 mm×54 mm。

（2）加密模塊包括兩個(gè)UART、多個(gè)數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)加密解密單元和密鑰管理單元。

圖2 加密模塊硬件結(jié)構(gòu)

（3）加密模塊采用航插方式的RS485與傳感器及PLC 通信，同時(shí)預(yù)留程序注入接口，方便數(shù)據(jù)加密模塊調(diào)試、初始化。

（4）輸入電壓采用12～24 V/DC寬壓輸入，以適應(yīng)不同的供電需求。

對(duì)加密模塊兩路485接口的隔離處理，電源及信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)可以有效控制由接地電勢(shì)差、接地環(huán)路引起的各種共模干擾問(wèn)題。

3 加解密流程

數(shù)據(jù)加密采用數(shù)字信號(hào)信封的方式進(jìn)行加密處理，根據(jù)數(shù)據(jù)載荷中的目的地址獲取對(duì)方的加密公鑰，使用加密公鑰對(duì)報(bào)文加密密鑰進(jìn)行加密，使用報(bào)文加密密鑰對(duì)明文數(shù)據(jù)和散列值進(jìn)行加密。解密是加密的逆過(guò)程，并需要對(duì)解密后散列值進(jìn)行驗(yàn)證，加密運(yùn)算步驟如下。

S1：使用SM3 算法生成載荷數(shù)據(jù)PD的校驗(yàn)值DH；

S2：使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成對(duì)稱(chēng)密鑰RK；

S3：使用SM2 算法和對(duì)方公鑰對(duì)RK加密生成CK；

S4：使用SM4 算法和RK 對(duì)EP={PD|DH}進(jìn)行加密得到EC；

S5：重新計(jì)算校驗(yàn)碼CRC；

S6：加密計(jì)算完成。

主控端設(shè)備對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行解密；而從端加密設(shè)備正好相反，對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。主控端加密設(shè)備下行數(shù)據(jù)和上行數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

國(guó)產(chǎn)加密網(wǎng)關(guān)研制成功后，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試兩周后，部署在武定門(mén)閘機(jī)組上試運(yùn)行測(cè)試。

測(cè)試參數(shù)：溫度（℃）、電壓（V）。

測(cè)試指標(biāo)：穩(wěn)定性、正確性、延遲。

所需設(shè)備：國(guó)產(chǎn)加密網(wǎng)關(guān)、PLC主機(jī)、溫度傳感器、三相電電壓監(jiān)控傳感設(shè)備。

測(cè)試距離：100 m左右。

現(xiàn)場(chǎng)10 臺(tái)溫度傳感器以手挽手的RS485 接線方式傳送到主機(jī)PLC 端，在主控端安裝一臺(tái)加密網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每個(gè)溫度傳感器端安裝一臺(tái)加密網(wǎng)關(guān)設(shè)備，設(shè)備連接模擬圖如圖4所示。

安裝調(diào)試后測(cè)試4天即96小時(shí)，加密設(shè)備穩(wěn)定未死機(jī)，測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常，未見(jiàn)明顯延遲。選取1 號(hào)泵組溫度數(shù)據(jù)如表1 所示，3-4 號(hào)閘門(mén)電壓數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本項(xiàng)目方案操作簡(jiǎn)便，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)延遲低，結(jié)果可靠，能滿(mǎn)足安全模塊在現(xiàn)地部署的安全性以及時(shí)效性等需求。本項(xiàng)目通過(guò)國(guó)產(chǎn)密碼模塊的設(shè)計(jì)、應(yīng)用，解決了武定門(mén)閘管所自動(dòng)化控制系統(tǒng)中Modbus 協(xié)議的安全性問(wèn)題，提高了其應(yīng)對(duì)病毒、惡意攻擊者的防御能力。

圖3 加密設(shè)備下行數(shù)據(jù)和上行數(shù)據(jù)處理流程

圖4 現(xiàn)場(chǎng)加密網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接模擬

表1 1號(hào)泵組溫度數(shù)據(jù) （單位：℃）

表2 3-4號(hào)閘門(mén)電壓數(shù)據(jù) （單位：V）

綜上所述，硬件加密設(shè)備的部署，實(shí)現(xiàn)了基于國(guó)產(chǎn)加密算法的數(shù)據(jù)加密等安全性要求。以硬件加密網(wǎng)關(guān)方式對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供信道安全能力的方案，在水利工程控制領(lǐng)域具有較高的可行性和應(yīng)用價(jià)值。國(guó)產(chǎn)加密設(shè)備具有多層次安全防護(hù)、自主可控、低功耗、靈活的密鑰管理等優(yōu)點(diǎn)，為水利數(shù)據(jù)采集通信提供了可靠、安全傳輸?shù)募夹g(shù)手段。密碼設(shè)備的研制與應(yīng)用，為國(guó)產(chǎn)密碼產(chǎn)品在水利自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用與推廣打下重要基礎(chǔ)。