SCTP在工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)中的應(yīng)用研究[圖]| 2011-04-12 11:30:59 | 閱讀
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隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其開放性、平臺(tái)無關(guān)、信息服務(wù)多樣性等優(yōu)點(diǎn)以及和傳統(tǒng)總線相比具有的高速和互聯(lián)互通優(yōu)勢(shì)，使以太網(wǎng)通信成為目前世界上工業(yè)控制領(lǐng)域高速通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和未來通信的發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主要廠商紛紛開發(fā)了自己的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)并推出了相應(yīng)的以太網(wǎng)產(chǎn)品。ARC Group針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)的調(diào)查報(bào)告顯示，2003～2008年間，與工業(yè)以太網(wǎng)密切相關(guān)的DCS產(chǎn)品和PLC產(chǎn)品的市場(chǎng)容量年增長(zhǎng)率分別達(dá)到了15%和14%。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，工業(yè)以太網(wǎng)除了在工廠自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化等過程控制領(lǐng)域不斷提升應(yīng)用比例外，在電信、電力、石油、交通等重大基礎(chǔ)設(shè)施中，由于項(xiàng)目應(yīng)用本身對(duì)分布式和互聯(lián)互通的要求，被依賴的程度也會(huì)不斷加深。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)化使得企業(yè)的制造控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)可以無縫地結(jié)合起來，形成生產(chǎn)、控制、管理、決策、服務(wù)一體化的企業(yè)運(yùn)行模式，對(duì)改變生產(chǎn)管理運(yùn)營(yíng)模式、提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生了巨大的提升作用。

可見，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為了連接地理上分布的控制網(wǎng)絡(luò)的紐帶，更成為了企業(yè)信息自動(dòng)化的“神經(jīng)中樞”。因此，以工業(yè)以太網(wǎng)為對(duì)象，研究其信息安全具有重大意義。

1 工業(yè)以太網(wǎng)面臨的信息安全問題

由于技術(shù)和商業(yè)等因素的原因，工業(yè)領(lǐng)域的主要廠商單獨(dú)或者幾家聯(lián)合推出了不同的解決方案，導(dǎo)致了多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)共存的局面。例如，西門子公司主推Profibus和ProfiNet；羅克韋爾自動(dòng)化提出了CIP網(wǎng)絡(luò)概念，包括EtherNet/IP，ControlNet和DeviceNet三層網(wǎng)絡(luò)；施耐德電器則基于Modbus和Modbus TCP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的透明傳輸。

目前，實(shí)際使用的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議有上百種，常用的也有20多種，例如Modbus TCP，F(xiàn)F-HSE，Profi-Net，SRTP TCP/IP，EtherCAT等。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)于要求響應(yīng)時(shí)間小于5ms的應(yīng)用，各大廠商和標(biāo)準(zhǔn)化組織還在IEEE 802．11的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)時(shí)擴(kuò)展，即實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。2005年5月發(fā)布的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-2公布了包括中國(guó)在內(nèi)的EPA在內(nèi)的15種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議。

雖然工業(yè)以太網(wǎng)總線協(xié)議的種類繁多，但是基本上都是在各自修改其應(yīng)用層協(xié)議的基礎(chǔ)上支持TCP/IP規(guī)范實(shí)現(xiàn)的，以爭(zhēng)取通過高層協(xié)議達(dá)到相互兼容的目的。圖1是部分典型以太網(wǎng)協(xié)議棧的示意圖，其中的(a)，(b)，(c)分別是Modbus TCP，ProfiNet，EPA協(xié)議的模型。


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作為工控網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工業(yè)以太網(wǎng)帶來更加開放集成的工業(yè)自動(dòng)化和信息化的整體解決方案，擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景的同時(shí)，也導(dǎo)致了工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的安全威脅的增加。目前，針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的安全研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。一種研究思路是從信息安全的五個(gè)基本要素：機(jī)密性、完整性、可用性、可控性與可審查性對(duì)照審查并加強(qiáng)其薄弱環(huán)節(jié)，另一種研究思路是按照資產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)威脅模型針對(duì)具體的工業(yè)以太網(wǎng)從入侵檢測(cè)的角度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全的防范。

一些工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)存在的信息安全威脅主要表現(xiàn)在缺乏認(rèn)證，容易導(dǎo)致非授權(quán)訪問；信息泄露或者丟失；破壞數(shù)據(jù)完整性；拒絕服務(wù)攻擊。

和以太網(wǎng)面臨的安全威脅一樣，工業(yè)以太網(wǎng)也面臨偵聽、重放、拒絕服務(wù)攻擊等多種安全威脅。舉例來說，對(duì)Modbus TCP這樣的簡(jiǎn)單協(xié)議而言，由于協(xié)議的功能字簡(jiǎn)單，使用Modbus TCP的工業(yè)以太網(wǎng)很容易遭受攻擊者使用偽造數(shù)據(jù)來對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的攻擊危險(xiǎn)。對(duì)于通信通道數(shù)有限的以太網(wǎng)客戶端而言，攻擊者通過偽造的連接占用通信通道會(huì)導(dǎo)致工業(yè)以太網(wǎng)模塊的拒絕服務(wù)攻擊。另外，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的控制網(wǎng)絡(luò)而言，通過占用帶寬和干擾等手段可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不可用或不可靠，從而威脅控制網(wǎng)絡(luò)安全。

總結(jié)存在上述信息安全威脅的原因，有以下幾點(diǎn)：

(1)沒有適當(dāng)強(qiáng)度的認(rèn)證、授權(quán)措施；

(2)沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)加密措施；

(3)工業(yè)以太網(wǎng)使用的協(xié)議都是基于TCP/IP協(xié)議的，從而不可避免地繼承了TCP/IP協(xié)議的安全性缺陷。

2 SCTP簡(jiǎn)介

流控制傳輸協(xié)議SCTP是由IETF提出的新一代構(gòu)架于IP層之上的通用IP傳輸協(xié)議。SCTP在以IP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)上提供面向連接的可靠的端對(duì)端報(bào)文傳輸。

SCFP作為TCP的改進(jìn)技術(shù)，繼承了TCP的流控技術(shù)、超時(shí)重傳以及擁塞控制技術(shù)等成熟技術(shù)。同時(shí)，SCTP引入了新的擁塞控制、防止syn-flood和偽裝攻擊、更優(yōu)的實(shí)時(shí)性能、支持多宿主支持等思想。因此，SCTP被一些標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)為是TCP的繼承者。