用于scada系统主站与从站间身份认证的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种用于SCADA系统主从站间的身份认证技术，尤其是一种基于 对称多项式加密机制的双向认证技术，具体涉及SCADA系统的主从站通信安全的保证。
【背景技术】
[0002] 随着信息技术的不断发展，工业的现代化水平与日倶增，工业控制系统（Industry Control System，ICS)被广泛地应用于诸多与国计民生息息相关的行业，诸如冶金、水电供 应、油气输送、航空航天、道路交通等，其在社会生产与保障性基础设施建设中发挥着不可 替代的作用。典型的SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统主要用于 远程监控和数据采集，综合运用计算机、控制、通信与网络等技术，通过对远程分散测控点 采集的数据进行监控与分析，为整个生产过程的调度、管理、故障诊断等操作提供技术和数 据支持。通过以太网，整个控制系统能够与远程终端设备便捷地相互连接。目前工业控制系 统的性能、可靠性、灵活性等因素被给予高度关注，但其信息安全问题却没有得到足够重 视。
[0003] 工业化和信息化的深度融合使得标准控制协议的使用越来越广泛，工业控制系统 的开放性也随之提升，通用的协议、软硬件设备、操作系统等已经被广泛应用，这直接导致 针对工控系统的攻击事件频发，一系列网络安全问题逐渐暴露出来。以"震网病毒"为例，它 利用微软Windows操作系统与西门子WinCC操作系统的漏洞实现对系统的直接破坏，黑客能 够完全控制远程被感染的主机，使之成为僵尸计算机。"震网病毒"向公共事业机构和控制 系统发动恶意攻击，各类通信设施、民用和工业基础设施等均暴露在其攻击下，伊朗布什尔 核电站也没能幸免，核电站中铀分离机的控制逻辑被恶意修改，导致电动机转速异常而产 生了严重的损失。在"震网病毒"事件发生后，世界各地针对工业控制系统的攻击事件频频 发生，并愈演愈烈，造成了严重的破坏与损失，诸如比"震网病毒"强大20倍的"Flame火焰病 毒"肆虐中东地区。针对工业控制系统接连不断的攻击事件已经造成严重的后果，这些网络 安全问题给工业控制系统带来了严峻的挑战，将人们对于工业网络安全的关注推向一个新 的尚潮。
[0004] 事实上，很多工业控制网络疏于严格的系统管理，可能出现内部人员接入已感染 病毒的移动设备或外部人员通过非法手段截获而导致信息泄漏、篡改，从而使一些不法分 子有机可乘。SCADA系统的信息安全机制并不完善，身份认证环节存在诸多漏洞，很容易暴 露给攻击者。攻击者可以通过伪造的用户管理员身份与主站进行通信，非法接入工业控制 网络中。攻击者也可以通过入侵主站与从站之间的通信网络，窃取通信内容，影响主从站间 正常通信，致使SCADA系统中基础设施和工业服务中断，产生严重的破坏。身份认证对于实 现SCADA系统的安全接入控制而言十分重要，其承担整个安全体系的"门禁"职能，好比整个 信息安全体系的第一道大门，对PLC控制设备节点、管理员用户的身份进行核对，保障了使 用者物理与数字身份的相互统一。这一环节实现了对系统资源的有效保护，防止用户身份 被非法冒用，拒绝对敏感数据的非法访问请求。如果体系中的身份认证环节受到挑战，那么 体系中其他的防护方案也将难以实现。由于控制环节在工业系统中处于至关重要的地位， 要求对所有接入对象进行安全认证，包括用户接入和PLC等控制设备接入，SCADA系统对于 主从站间的通讯认证有着严格的要求。
[0005] 然而，工业控制系统的安全需求不同于传统的Internet，其更加关注系统的高可 用性、实时性与业务连续性。在紧急情况下，工业控制系统需要应急处理程序能够快速响 应，以降低由于处理紧急情况时间较长导致的损失。因此，现有的成熟且健壮的密码机制不 能直接应用在SCADA系统中设备节点身份认证，需要设计轻量级的身份认证机制，以保证控 制系统应急响应的速度。本发明采用适合SCADA系统的轻量级加密机制，保证主从站通信安 全，并实现主从站间双向认证的技术体系，实现对系统的安全接入访问控制。
[0006] 经文献检索发现，现有SCADA系统的主从站身份认证及通信的安全保障措施有以 下几种：
[0007] (1)对称加密算法
[0008] 通信过程中主从站通过通信线路交换信息，入侵者可以通过窃取通信线路的方 式，获取主从站的通讯数据，实现对工控系统的攻击，故需要在从站和主站的入口和出口处 加入加解密功能模块。由于SCADA系统对于数据传输过程的效率和安全性都有着极高的要 求，因此选取轻量级的加密机制能保证系统中断后快速恢复，降低系统损失。通过分析对称 和非对称两种加密算法的加解密时间，相比之下，对称加密算法复杂度较低，加解密时间较 短，且产生的密钥数量较少。因此，对称加密算法被应用到主从站的安全通信领域，以保证 系统中断后快速恢复，降低系统损失。常用的对称加密算法有AES、DES、IDEA算法等。采用对 称加密在密钥节点数量与响应时间花费上具有优越性，符合系统轻量级加密机制的需求， 但对称加密中加解密密钥唯一、密钥的安全性难以得到保证。
[0009] (2)密钥更新机制
[0010] 引入一种新的加密密钥管理方案，采用密钥更新的方式降低密钥泄露风险。主站 既是通信的发起者也是会话密钥生成器，可以通过在密钥产生过程中增加会话密钥更新阶 段和主密钥更新阶段增强密钥的安全性。主站与从站之间共享的主密钥，在会话密钥更新 阶段，主站随机产生会话密钥，用主密钥加密会话密钥，并把加密后的会话密钥传递给相应 的从站。从站接收密钥，用主密钥进行解密，并向主站传递确认信息。主密钥更新阶段中，主 站和从站接收到彼此加密后的主密钥，分别用会话密钥进行解密，并对主密钥进行更新，使 用更新后的主密钥发送新的会话密钥。在主密钥更新阶段中，通过引入赫尔曼椭圆曲线密 钥协议，降低了密钥泄露的可能性。密钥更新机制增强了密钥的安全性，但并未实现主从站 间的身份认证，攻击者可以通过盗用通信方身份，窃取共享密钥。
[0011] (3)与硬件设备结合
[0012] 通过硬件设备保护通信过程中密钥分配的安全，无需对SCADA节点进行修改，而是 采用直接与传统的设备相集成的方式。这种方法是在SCADA系统主从站通信环节引入的身 份验证，防范攻击者变更消息或冒充通信方身份。该方法操作简单，密钥存储设备可以直接 集成到SCADA设备中，兼容性与可移植性十分突出，但更新硬件设备将增加部署成本。
[0013] 以上研究表明，SCADA系统主要选用对称加密算法实现数据的加密传输与解密验 证过程，但会话密钥的安全性有待增强，通信双方的身份认证机制有待完善，现有的安全防 护机制不能有效阻止用户及设备的非法接入。
【发明内容】
[0014] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种关注系统轻量级加密机制需求 的同时，兼顾了密钥的安全性，有效实现了主站与从站间的双向认证的用于SCADA系统主站 与从站间身份认证的方法及系统。
[0015] 为解决上述技术问题，本发明提供的一种用于SCADA系统主站与从站间身份认证 的方法，包括如下步骤：
[0016] 步骤A:主站A创建服务，产生对称多项式系数，从站B根据主站A服务器的IP地址 与主站A建立连接，连接建立成功后从站B与主站A共享二元对称多项式参数，主站A与从站B 均持有完整的二兀对称多项式表达式；
[0017] 步骤B:连接建立完毕后，在应用层选取通信协议，主站A、从站B分别采用通信协议 的数据帧作为自身身份标识符IDa、IDb ;
[0018] 步骤C:通信建立完毕后，主站A与从站B交换彼此的身份标识符，主站A、从站B分别 将两者的身份标识符带入二元对称多项式进行计算，得到计算结果f(ID A，IDB)、f(IDB， IDa)；
[0019] 步骤D :主站A与从站B交换彼此二元对称多项式计算结果，如果f ( IDa，IDb) =f (1〇8，1^)，则主站厶与从站13实现双向认证，并计算1^ =