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LonWorks工业控制网络安全鉴别系统设计

文档作者：孙社文1 王瑛2 林伟杰3 王瑞荣3 杨洪涛1 文档来源： 1．北京工业职业技术学院．中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院 3．杭州电子科技大学		点击数：	更新时间： 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工业控制网络安全鉴别系统设计
孙社文1，王瑛2，林伟杰3，王瑞荣3，杨洪涛1
(1．北京工业职业技术学院，北京100042；2．中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京100083；
3．杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)
摘要：设计了一种提高LonWorks控制网络安全性的安全鉴别系统。采用基于Time Server
硬件的不重复数鉴别方法，可利用时间服务器的信息用于鉴别，克服了传统的控制网络鉴别
“长报文’’低效问题，可以应对“重放攻击”，适应工业控制网络带宽受限和实时性的特性。
关键词：网络安全；工业控制网络；LonWorks
中图分类号：TD679 文献标识码：A 文章编号：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“long 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
近几年来．LonWorks技术在煤矿井下安全监控、煤矿
信息传输等系统的研究及应用越来越多⋯。尤其是基于电
力线传输媒体的LonWorks控制网络在带宽、传输距离以及
信号干扰方面已取得了长足进步，受到人们的广泛关注。
LonWorks技术在我国工业控制、智能楼字和住宅建设等领
域已成为国家级标准。LonWorks控制网络能够支持不同的
网络结构及通讯介质．广泛应用在工业、楼宇、能源及交
通等领域[2’3]。
产业发展对控制网络的安全性要求不断提高，工业控
制网络在功能上不仅应具备安全鉴别机制和信息来源鉴别
功能，通常还要求其具备网络节点之间的双向身份鉴别功
能。在实际应用中．工业控制网络有别于常规的计算机信
息网络，对其网络的安全性要求丝毫不亚于计算机信息网
络。国际上典型的工业控制网络对其数据安全问题都非常
重视，然而，对于基于LonWorks技术的工业控制网络的安
全性问题目前还没有引起人们的足够重视[4]。本文提出并
设计了一种基于时间服务器硬件的简便鉴别机制。并使用
一种“不重复数(Nonce)”的方法实现了LonWorks网络的
安全鉴别功能。
l不重复数的安全鉴别机制设计
1．1 常用的控制网络安全鉴别方法
控制网络的数据安全．通常涉及如何防止非法用户对
监控数据未经授权的访问和更改：如何保障监控命令和数
据的安全可靠传输；如何防止传输过程中泄密以及如何防
止控制网络被恶意攻击等几方面问题。
收稿日期：2015—12—08
基金项目：北京市2013年度科技计划面上项目“基于LONWORKS技术的矿井环境监测系统研制”(KM201310853005)
作者简介：孙社文(1967一)，男，陕西韩城人，博士，教授，现主要研究方向为电力线通信技术及其应用，E-mail：
sunny@bgy．org．cn。
引用格式：孙社文，王瑛，林伟杰，等．LonWorks工业控制网络安全鉴别系统设计[J]．煤炭工程，2016，48(5)：
37-39．
37
万方数据
煤炭工程2016年第5期
采用鉴别机制来保障工业控制网络的信息安全是一种
常用的方法15—7J。此方法主要为防御对报文信息实施主动性
攻击，通过对所收到的报文的鉴别(特别是对发送源的鉴
别)以判定其真伪。
与计算机信息网络所采用的对传输数据实施加密、解密
机制相比较，工业控制网络采用鉴别机制无需再配置复杂的
设备，从而可大大降低系统成本：而且在实际应用中．多数
控制网络并不需要对报文全文进行加密，仅仅需要对传输报
文信息进行“数字签名(diOtal signature)”，以便于接收端能
够通过鉴别(认证)识别出真伪即可。因此，工业控制网络采
用鉴别机制在方法上也是简单有效的。但是，采用鉴别机制
对长报文进行“数字签名”会极大地增加计算机的负荷，同
时需要很长的运算时间，这是很不利的一方面。
1．2优化方案
技术上，降低报文“数字签名”的复杂度是优化和解
决控制网络鉴别“长报文”低效问题的途径之一。引入
“报文摘要(message digest)”可以解决上述问题。
报文摘要是一种常用的实现控制网络信息安全的、简
单有效的鉴别方法。例如两个通信节点A和B之间要进行
信息传递。在发送端，通信节点A按照报文摘要算法，求
出要发送的报文x的报文摘要H。然后对报文摘要H进行
“数字签名”。将已签名的报文摘要D(H)追加在要发送的
报文x之后，通过控制网络发送给通信节点B进行鉴别
(认证)。由于报文摘要算法是采用单向哈希函数实现的，
它是一种散列函数，也是精心选择的一种单向函数，其算
法的不可逆性、实现方法的简单有效性，都使得报文摘要
算法在防止报文被人恶意篡改等方面应用非常普遍。因此。
报文摘要在技术上优化和解决了控制网络鉴别“长报文”
的低效问题。
但是，由于报文鉴别是对发送源的鉴别(即对每一个收
到的报文，都要鉴别报文的发送者)。客观上又存在明显的
漏洞。假设某通信节点c侵入控制网络，截获通信节点A
发给通信节点B的报文。人侵的通信节点c并不必破译此
报文，仅需要把这个由通信节点A加密的报文直接发送给
通信节点B，这样很容易使通信节点B误认为报文就是通
信节点A发送的，与其传送报文，即遭受到所谓的“重放
攻击(Replay Attack)”。人侵节点c甚至还可以截获通信节
点A的IP地址实施IP欺骗．这些都给控制网络的安全带
来极大的隐患。
1．3不重复数的鉴别机制
为提高工业控制网络的安全性。本文对常规报文鉴别
和实体认证等控制网络应用层鉴别机制进行了改进，提出
了使用不重复数的鉴别机制以应对“重放攻击”。这里的
“不重复数”就是指进行安全鉴别时所使用的大随机数不能
重复，即采用“一次一数”策略。
在LonWorks工业控制网络上。要实现应用层鉴别可以
采用纯软件方案，无需另增硬件设备、技术实现容易。但
38
由于LonWorks网络同一数据包在网上传送需要4次．这样
每一次的数据包都需要鉴别时，自然会增加网络带宽消耗
及系统响应时间。
为此，本文提出了建立在“时间服务器(Time Senrer)”
硬件基础之上的不重复数鉴别方法。
2时间服务器(Time Serv日)的软硬件设计
2．1 Time Server硬件结构
Time Server主要功能是实现并保证整个LonWorks工业
控制系统网内各节点间的时间同步。其主要功能是实现系
统计时，并能够实现在一定的时间内向网络各节点分发时
间信息。
Time Server的基本硬件结构如图I所示。它主要由实
时时钟(RTC)和Neuron(3150)芯片组成。其本身又是
LonWoAs网络的一部分，通过收发器接入LonWorks网络。
图1 Time Server硬件结构
选用Neuron Fr3150芯片、并配置一块EEPROM
(SST29EE010)，收发器选用了ECHLON公司的UF5000智
能收发器芯片，同时利用ARM芯片(STM32F103)产生时
钟[6]。图1中的Neuron芯片负责从RTC中取得时间信息，
并在指定的时刻通过收发器向各节点分发。
时钟芯片中有非易失性存储器。存放当前系统中的节
点信息，如时间广播间隔、广播报文序号、节点地址等等．
以便于时间信息的分发。
2．2 Time Server软件功能实现
Time SeHer的服务器端软件流程如图2所示。Time
Se“er软件功能主要有：一是会定期向全网广播时间消息，
以达到全网内各节点的时间同步要求；二是其随时接受来
自各节点(Client)的时间同步请求，例如当节点重启、重新
安装时．Cliem都需要向Time Server发出时间同步请求。
获取本节点smJgtJl：
获取并计算定时发送
时间间隔
启动定时器，激活与
ARM的通讯接口
ARM每隔1S更新一次
nvoCIoek的值
修正时间
定时时间间隔到，构建
更新时间广播报文
当nviCIock被设
置改变时二二工二
将其当前值写入
ARM并更新巧鑫～网络变量一
当Instal改变时二二二[二
重新计算定时时
间间隔
图2 Time Server流程
万方数据
2016年第5期煤炭工程
开发编程时对各种情况下的时间服务报文进行了规范和
定义，时间广播报文格式见表1，Client节点时间同步请求报
文格式见表2，Time Server时间同步请求响应格式见表3。
表1时间广播报文格式
报文序号Date／Time Diges(8)
Node Date／Time Digest(8)
3基于Time Server的不重复数鉴别系统
3．1 Client节点之间通信认证流程
3．1．1 Client节点发送数据
发送Client节点数据格式见表4。表中Message Data为
Message code和message Data两个部分．Date／Time与前一
致，Digest(8)为摘要值(消化值)。
表4 CHent节点发送数据格式
Message Data Date／Time Digest(8)
采用Neuron C编写一个MsgSendProcess()函数，将原
始的Message Data数据处理成以上的数据格式。
3．1．2 Client节点接收数据
接收时，接收方Client节点根据收到的数据计算出一
个摘要值(消化值)，与收到的摘要值(消化值)进行比较。
采用Neuron C编写一个MsgRevProcess()函数将收到的
数据进行处理分割出message data和message code。接收方
Client节点根据自己的时间，比较对方Client节点的时间，
找出数据包的源地址，然后用它自己的算法功能来消化数
据，并对摘要值(消化值)进行比较。
同时为防止“重放攻击”．在接收Client节点设置一时
间窗口。若Client节点接收到的时间与自身时间的差超过
时间窗口则丢弃该报文。用显式报文方式时，收到的数据
也有一定的格式。
3．2用LNS System Plug—in进行系统级认证
在应用消化函数时，很重要的一个部分是各节点已经
具备了一个统一的密钥。这样．这个密钥应该在什么时候
以什么方式传送到节点是另一个关键的问题。
因此，还需用LNS System Plug—in进行系统级认证。其
主要是通过向各节点分发共享密钥的方式来实现。除了密
钥分发之外．还需向各节点发送时间窗口信息以及向Time
Server发送时间广播的间隔等信息。
3．3 系统测试
为验证基于时间服务器的不重数鉴别方法的可行性．
模拟了现场控制网络，以验证控制网络安全鉴别流程的实
际应用效果。
首先按照认证方式设置LonWorks网络。在LonWorks
控制网络中连接了1台Time Server节点．19台Client节点
(普通节点)及相关传感器、执行器等。再使用LonMaker将
它们组网，分别下载对应的服务器和客户端相关程序．同
时使它们在逻辑上处于同一网络：使用U10网络接口卡和
LonScanner协议分析仪采集通讯信道上的数据包，分辨、
采集相关安全鉴别算法数据包。分析实现效果。
按照步骤分别对Time Server功能、Client节点时间同步
请求、Client节点收发报文等功能进行测试。
测试结果显示Time Server节点时钟误差低：：f：+5ppm(每
天误差不超过0．25s)，时间广播功能正常。
Client节点时间同步请求测试证明：在网络中随机复位
某一Client节点后，0．5s内能接收到系统时钟并开始计时。
Client节点收发报文测试测试证明：指定某一对Client
节点进行报文收发时。报文发送节点发出报文后，接收节
点均即刻做出了响应。
4结语
工业控制网络由于受带宽的限制和实时性的要求，希
望在其上实现的通信鉴别机制能够简单有效。针对控制网
络的带宽和实时性的要求，本文基于ImnWorks技术，采用
基于硬件时间服务器的不重复数鉴别方法。设计并建立了
基于LonWorks技术的工业控制网络的安全鉴别系统。经实
验验证．本文所设计的安全鉴别系统实现了LonWorks控制
网络应用层的鉴别功能，方法简洁有效，性能可靠。本鉴
别机制不仅能够满足大部分场景下控制网络鉴别的需求，
而且能够利用时间服务器的信息用于鉴别。大大减少网络
的数据流量，具备较高的理论研究及实用价值。
参考文献：
孙社文，孙秀芬，杨岭．基于LonWorks的煤矿井下电力
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于仲安，李慧斌．工业控制网络和信息网络的集成技术
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(责任编辑杨蛟洋)
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