zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Công Nghệ Thông Tin

» An ninh - Bảo mật

Bảo mật và xác thực thông tin trong mạng điều khiển công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Bảo mật và xác thực thông tin trong mạng điều khiển công nghiệp" trình bày giải pháp bảo mật và xác thực thông tin trong mạng điều khiển công nghiệp. Trên cơ sở phân tích một số mô hình tấn công trong hệ thống điều khiển, đặc biệt là tấn công giả mạo và tấn công DoS. Từ đó đề xuất áp dụng AES để mã hóa bảo mật thông tin và sử dụng hàm băm để xác thực thông tin điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bảo mật và xác thực thông tin trong mạng điều khiển công nghiệp

Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin Bảo mật và xác thực thông tin trong mạng điều khiển công nghiệp Nguyễn Đào Trường, Nguyễn Đức Tâm, Nguyễn Thị Nga Tóm tắt— Bài báo trình bày giải pháp bảo mật hoặc các thiết bị đầu cuối ở xa (Remote và xác thực thông tin trong mạng điều khiển công Terminal Unit - RTU) để lần lƣợt thực hiện nghiệp. Trên cơ sở phân tích một số mô hình tấn các hành động điều khiển cục bộ. Mạng điều công trong hệ thống điều khiển, đặc biệt là tấn công khiển truyền tải những dữ liệu thời gian thực giả mạo và tấn công DoS. Từ đó đề xuất áp dụng giữa các bộ điều khiển quá trình với các AES để mã hóa bảo mật thông tin và sử dụng hàm băm để xác thực thông tin điều khiển. Đồng thời trạm vận hành. Những trạm đó thƣờng đƣợc thực nghiệm đã xây dựng được môđun phát hiện sử dụng trong khu vực điều khiển giám sát, tấn công và môđun phản ứng khi phát hiện bị sai khu quy hoạch đặt các cơ sở hạ tầng quan lệch thông tin điều khiển giữa các thiết bị trong hệ trọng. thống điều khiển công nghiệp.  Tầng thứ hai là khu vực hoạt động sản xuất, Abstract— This paper presents a solution for là khu vực quản lý giám sát sản xuất, tối ƣu secure and authentication of industrial control hoá và duy trì các quá trình sản xuất. systems based-on the analysis of some attack models in control systems, especially phishing attacks and Các thiết bị cảm biến và điều khiển có mặt DoS attacks. We propose a solution that AES trong phần lõi của các thiết bị chuyên dụng cũng encryption is used to protect control signals and the nhƣ trong các hệ thống điều khiển trong các nhà hash function is used to authenticate. In our máy, xí nghiệp. Sự gián đoạn của các hệ thống này experiment, we have built two modules: attack có tác động lớn đến hiệu suất và độ chính xác detection and reaction to detect misleading control trong quá trình hoạt động của các thiết bị. information between devices in industrial control systems. Sự gián đoạn này có thể xuất phát từ nhiều hình Từ khóa— Hệ thống điều khiển; mật mã AES; thức tấn công của kẻ phá hoại. Đặc biệt, tấn công hàm băm; giả mạo; tấn công từ chối dịch vụ. giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ (DoS) có thể I. GIỚI THIỆU làm hệ thống bị tê liệt hoặc thực hiện sai chức năng. Vì vậy, bảo vệ chống tấn công giả mạo và Hệ thống điều khiển công nghiệp là hệ thống tấn công từ chối dịch vụ trong mạng điều khiển là dựa trên các máy tính thực hiện giám sát và điều cấp thiết. khiển các quá trình công nghiệp. Các hệ thống này đại diện cho các hệ thống công nghệ thông tin Bài báo trình bày giải pháp bảo mật và xác thực đƣợc kết nối với nhau thành một chỉnh thể vật lý thông tin trong mạng điều khiển công nghiệp trên thống nhất. Hệ thống điều khiển công nghiệp cơ sở phân tích một số mô hình tấn công trong hệ thƣờng là tập hợp các trạm đƣợc kết nối mạng, bao thống điều khiển, đặc biệt là tấn công giả mạo và gồm các bộ cảm biến, bộ chấp hành, thiết bị điều tấn công DoS. Từ đó đề xuất áp dụng thuậ toán khiển, thiết bị truyền thông. Tín hiệu trao đổi giữa AES để mã hóa bảo mật thông tin và sử dụng hàm các thiết bị trong hệ thống này có dung lƣợng nhỏ băm để xác thực thông tin điều khiển. (từ vài byte đến vài chục byte) nhƣng đòi hỏi với Bố cục của bài báo gồm: Mục II trình bày các tốc độ nhanh (từ 250µs đến 1ms [10]). Hầu hết các phƣơng thức tấn công trong mạng điều khiển công hệ thống điều khiển công nghiệp đều có cấu trúc nghiệp, Mục III trình bày giải pháp bảo mật cho phân cấp. mạng điều khiển công nghiệp dùng mật mã AES, Kiến trúc mạng trong hệ thống điều khiển công Mục cuối là kết luận. nghiệp đƣợc biểu diễn trên Hình 1. Kiến trúc hệ II. TẤN CÔNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU thống đƣợc phân thành các cấp cơ bản nhƣ sau: KHIỂN CÔNG NGHIỆP  Tầng vật lý, thƣờng đƣợc gắn với các bộ A. Hệ thống động tuyến tính cảm biến và các cơ cấu chấp hành (gọi là các thiết bị trƣờng). Các thiết bị này đƣợc Hệ thống động tuyến tính là một trong những kết nối thông qua mạng trƣờng đến các bộ mô hình phổ biến nhất đối với hệ thống các thiết bị điều khiển logic có thể lập trình vật lý trong các hệ thống điều khiển [3]. (Programmable Logic Controllers - PLC) Số 1.CS (01) 2015 57
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin Hình 1. Kiến trúc của hệ thống điều khiển công nghiệp Quá trình điều khiển có thể khái quát thành một tại lâu dài của chu trình khép kín hoặc tối ƣu hóa hệ các phƣơng trình sau: hiệu suất hoạt động, nhằm bảo vệ những hoạt động  xk 1  Axk  Buk  k (1a ) này khỏi sự tấn công giả mạo vào cơ sở hạ tầng  (1b) mạng công nghiệp.  y  Cx k k Trong [3], nhóm tác giả đã xem xét tấn công từ Trong đó: xk  ( x1k ,..., xnk )  n là trạng thái chối dịch vụ (DoS) và các tấn công giả mạo. Trong của hệ thống tại thời điểm k, A  aij    nxn là các tấn công giả mạo, đối phƣơng gửi thông tin sai lệch yˆ  y hoặc uˆ  u từ một hoặc nhiều bộ cảm các mô hình phụ thuộc vật lý của trạng thái i vào biến hay bộ điều khiển. Thông tin sai lệch này bao trạng thái j, B   bij   nxn là ma trận đầu vào của gồm: số đo không chính xác, thời gian không chính trạng thái i từ đầu vào điều khiển j, xác (thời điểm số đo đó đƣợc quan sát) hoặc ID uk  u1k ,..., umk   m . của bộ gửi không chính xác. Đối phƣơng có thể thực hiện các tấn công này bằng cách thu nhận Nói chung, khó có đƣợc một mô hình chính xác “thông tin bí mật” hoặc làm nguy hại đến một số của quá trình điều khiển trong hệ thống mạng. Do bộ cảm biến hay bộ điều khiển. Do đó, các tác giả đó, có thể thêm vào phƣơng trình (1a) một thông trong [3] đã mô hình hóa các tấn công này bằng tin gọi là nhiễu k , và giả sử k  n là một dãy cách sử dụng một số thay đổi trong hệ phƣơng ngẫu nhiên Gaussian với phƣơng sai Q0 và bậc 0. trình (1) nhƣ sau: Phƣơng trình (1b) đƣợc xem là biểu thức quan  xk 1  Axk  Buk  k  rk  (2) sát vì chúng ta không trực tiếp đo trạng thái xk của  yk  Cxk  zk hệ thống đƣợc quan sát tại thời điểm k, với giả Trong đó: rk , zk là những thông tin giả mạo thiết rằng hệ thống điều khiển công nghiệp đƣợc đƣa vào hệ thống tại thời điểm k. thực hiện bởi một mạng có p bộ cảm biến, yk  ( y1k ,..., y pk )  p , ylk  là thông tin thu thập Trong mô hình này, giả sử thời điểm bắt đầu tấn công là k  t0 . Để mô hình hóa giả thiết này, đƣợc từ bộ cảm biến l tại thời điểm k. C  pxn . nhóm tác giả đã sử dụng hàm đơn vị 1k t  , là một 0 B. Các mô hình tấn công hàm bằng 0 trƣớc thời điểm t0 và bằng 1 sau thời Các thuật toán điều khiển và đánh giá đƣợc sử dụng trong hệ thống điều khiển mạng công nghiệp điểm t0 . đƣợc thiết kế thỏa mãn các mục đích hoạt động Mô hình tấn công từ chối dịch vụ trên một tập nhất định chẳng hạn nhƣ: sự ổn định an toàn, tồn con các tín hiệu điều khiển U nhƣ sau: 58 Số 1.CS (01) 2015
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin   B III. GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG MẬT MÃ AES  i U , ri ,k  ui ,k 1k t0  (3) Trong [11] nhóm tác giả đã sử dụng phƣơng j U , rj ,k  0  pháp bảo mật bằng DES, tuy nhiên sau khi sử dụng Mô hình tấn công từ chối dịch vụ trên một tập một số công cụ tấn công thì DES không còn bền con các nút cảm biến Y nhƣ sau: vững trong thời gian yêu cầu đối với hệ thống   C mạng điều khiển công nghiệp. Với RSA, đòi hỏi  cơ sở hạ tầng về nguồn lực tính toán lớn với những i  Y , zi ,k   xi ,k 1k t0  (4) j  Y , z j ,k  0 phép tính số có độ dài theo bit là 2048 (theo NIST  công bố về tiêu chuẩn an toàn cho RSA từ năm Mô hình tấn công giả mạo trên tập con các tín 2013) [12]. Bên cạnh đó, theo sự phát triển của hiệu điều khiển U nhƣ sau: mật mã hiện đại, AES đƣợc sử dụng rộng rãi, an   B toàn hơn trong các mạng truyền dữ liệu. Do đó  nhóm tác giả chọn AES để triển khai hệ thống bảo i U , ri ,k  (ui ,k   i ,k )1k t0  (5) j U , rj ,k  0 mật mô tả trong bài báo này.  Dựa trên những phân tích ở trên, chúng tôi xây với  k là tín hiệu điều khiển tùy ý đƣợc gửi bởi kẻ dựng một số giải pháp bảo mật cho các hệ thống tấn công. điều khiển mạng (bộ cảm biến với các bộ điều Mô hình tấn công giả mạo trên tập con các nút khiển và cơ cấu chấp hành) (Hình 2), bao gồm: cảm biến Y nhƣ sau: Thiết kế, sử dụng thuật toán mã hóa AES để bảo   C vệ thông tin truyền giữa các thiết bị (bộ cảm biến,  cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển); xây dựng giải i  Y , zi ,k  ( xi ,k  i ,k )1k t0  (6) j  Y , z j ,k  0 pháp phát hiện tấn công và cơ chế phản ứng.  với  k là tín hiệu điều khiển do kẻ tấn công gửi đi. Hình 2. Kiến trúc hệ thống truyền thông an toàn trong mạng điều khiển công nghiệp Số 1.CS (01) 2015 59
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin Hình 3. Sơ đồ thuật toán mã hóa và giải mã AES A. Mật mã AES thuộc vào khóa mã và độc lập với quá trình xử lý Thuật toán AES (Hình 3) là thuật toán mã hóa dữ liệu. Vì vậy, quá trình mở rộng khóa đƣợc thực đối xứng khóa bí mật, thƣờng đƣợc sử dụng cho hiện trong một môđun độc lập với quá trình mã trƣờng hợp yêu cầu tốc độ nhanh. Nó dựa trên chế hóa và giải mã. Trọng tâm của thuật toán là tạo ra độ mã khối với kích thƣớc khối dữ liệu 128 bit và các khóa vòng đƣợc kết hợp với các hàm biến đổi độ dài khóa tùy biến (128, 192, hoặc 256 bit). SubWord(RotWord(temp)), SubWord(temp) và sử Trong hệ thống mô phỏng mà chúng tôi thực hiện, dụng giá trị RCON. các dữ liệu truyền qua mạng, sử dụng các số thập phân trong phạm vi từ 1 đến -1, vì vậy sẽ xử lý dữ liệu theo một khối định dạng trƣớc. Dữ liệu đó chính là bản rõ, mỗi byte của bản rõ đƣợc kết hợp với khóa con (W0-W3) đƣợc tạo ra từ quá trình tạo khóa của Rijndael. Sau đó, thực hiện 12 vòng mã hóa với các khóa con tiếp theo từ quá trình mở rộng khóa (chi tiết ở Mục II.B). Cuối cùng, đầu ra là bản mã có độ dài 128 bit (dữ liệu đã đƣợc mã hóa) đƣợc truyền đi. Quá trình giải mã đƣợc thực hiện ngƣợc lại. Tuy nhiên, các khóa con đƣợc đƣa vào ngƣợc với quá trình mã hóa và dữ liệu sau khi đƣợc giải mã sẽ đƣợc khôi phục lại đúng dạng ban đầu (sử dụng khóa bí mật dùng chung cho cả quá trình mã hóa và giải mã). B. Mở rộng khóa Hình 4. Thuật toán mở rộng khóa AES-192 AES trong hệ thống mà chúng tôi triển khai sử C. Môđun phát hiện tấn công dụng một khóa có độ dài 192 bit. Khóa mã đƣợc mở rộng thành 12 vòng, tƣơng ứng với 12 vòng Dữ liệu đƣợc truyền đi có thể bị thay đổi trên trong quá trình mã hóa, sử dụng thuật toán mở đƣờng truyền trong hệ thống điều khiển (bao gồm rộng khóa. Thuật toán mở rộng khóa này chỉ phụ dữ liệu mẫu từ các bộ cảm biến, thông tin đầu ra 60 Số 1.CS (01) 2015
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin của các bộ điều khiển) và sẽ ảnh hƣởng đến sự ổn định, chính xác của hệ thống điều khiển công nghiệp thậm chí có thể gây những tổn thất lớn về kinh tế - xã hội. Phát hiện các cuộc tấn công bằng cách kiểm tra xem dữ liệu có bị thay đổi hay không có thể sử dụng hàm băm SHA-1. Quá trình xử lý (Ví dụ, quy trình truyền tín hiệu từ bộ cảm biến đến bộ điều khiển trên Hình 2) đƣợc thể hiện trong Hình 5. Thông tin gửi đi M sẽ đƣợc cho qua hàm băm Hình 6. Môđun phản ứng SHA-1 để tạo ra mã băm H. Mã băm này sẽ đƣợc E. Thử nghiệm gửi cùng với thông tin M. Tiếp theo, toàn bộ những BẢNG 1. THỜI GIAN MÃ HÓA, GIẢI MÃ VÀ thông tin này sẽ đƣợc mã hóa AES và gửi tới bên XÁC THỰC VỚI AES-192 VÀ HÀM BĂM SHA-1 nhận. Tại bên nhận, gói tin sẽ đƣợc giải mã để thu đƣợc thông tin M cùng với mã băm H. Tiếp theo, Kích Thời gian Thời gian Thời gian thước mã hóa giải mã xác thực M đƣợc cho qua hàm băm SHA-1 để tạo ra mã dữ liệu AES-192 AES-192 SHA-1 (s) băm mới H’. Nếu mã băm mới H’ và mã băm H (s) (s) đƣợc gửi đến tƣơng ứng với nhau thì thông tin đƣợc xác thực và chuyển cho cơ cấu chấp hành 25 Kb 0,822 0,825 0,459 hoặc bộ điều khiển. Nếu hai mã băm này không 50Kb 1,224 1,241 0,643 bằng nhau, chứng tỏ thông tin đã bị sửa đổi trên đƣờng truyền hoặc bị giả mạo. Lúc này, thông tin 100Kb 2,336 2,417 0,949 M sẽ chuyển sang môđun phản ứng đƣợc trình bày 120Kb 3,015 3,109 1,211 trong mục tiếp theo. 150Kb 3,998 4,022 2,029 D. Môđun phản ứng Chạy thử nghiệm hệ thống mã hóa AES-192 Tại môđun này ta phải xác thực hai yếu tố là kết hợp với hàm băm SHA-1 với kích thƣớc dữ thời gian và mã băm. Khi môđun phát hiện tấn liệu khác nhau, Bảng 1 đƣa ra kết quả chi tiết về công nhận thấy hai thông tin thu đƣợc có sự sai thời gian thực hiện mã hóa, giải mã và xác thực lệch thì sẽ chuyển chúng sang môđun phản ứng. trong quá trình xử lý dữ liệu truyền giữa các thiết Tại đây, thông tin sau khi giải mã sẽ chứa ba thông bị trong hệ thống, mô phỏng trong môi trƣờng tin là mốc thời gian T’, thông tin M’, mã băm H’. MATLAB. Môđun sẽ tách phần thời gian để so sánh với thời gian đăng ký. Nếu thời gian đó lớn hơn thời gian IV. KẾT LUẬN đăng ký thì thông tin sẽ bị từ chối (huỷ bỏ vì nghi Hệ thống điều khiển công nghiệp đòi hỏi việc ngờ có giả mạo hoặc bị tấn công). Ngƣợc lại, sẽ xử lý thông tin phải an toàn, chính xác và tốc độ cho thông tin và thời gian qua hàm băm SHA-1 nhanh. Mật mã AES đáp ứng đƣợc yêu cầu về tốc một lần nữa để đƣợc mã băm mới, rồi so với mã độ trong môi trƣờng truyền mạng khu vực trƣờng. băm H trong phần giải mã. Nếu bằng nhau thì đó Với giải pháp này, thông tin đƣợc mã hóa và giải chính là thông tin đã đăng ký, ngƣợc lại, thông tin mã với tốc độ cao, đáp ứng đƣợc việc truyền thông sẽ bị từ chối (huỷ bỏ). Nhƣ vậy, hệ thống sẽ nhanh tin điều khiển giữa các bộ cảm biến với các bộ chóng phát hiện thông tin sai và không bị điều điều khiển và giữa các bộ điều khiển với cơ cấu khiển sai lệch. chấp hành và các thiết bị khác. Chúng tôi đã trình bày mô hình hệ thống đƣa ra giải pháp ứng dụng mật mã AES-192 và xây dựng thực nghiệm thành công hai môđun phát hiện tấn công và phản ứng, nhằm đảm bảo thông tin điều khiển giữa các thiết bị trên an toàn, chính xác và đáp ứng yêu cầu tốc độ. Hình 5. Môđun phát hiện tấn công Số 1.CS (01) 2015 61
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin TÀI LIỆU THAM KHẢO SƠ LƢỢC VỀ TÁC GIẢ [1]. Eric D.Knapp, “Industrial Network Security”, ThS. Nguyễn Đào Trường Elsevier Inc, 2011. Đơn vị công tác: Học viện Kỹ thuật [2]. Sjoerd Peerkamp, “Process Control Network Mật mã, Ban Cơ yếu Chính phủ, Hà Security”, ICT Security and Control, 2010. Nội. [3]. Alvaro A.Cárdenas, Saurabh Amin, Shankar E-mail: Sastry, “Research Challenges for the Security of truongnguyendao@gmail.com Control Systems”, University of California, Tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật Mật Berkeley, 2008. mã và Học viện Kỹ thuật Quân sự năm 2001. Nhận [4]. A. Treytl, T. Sauter, C. Schwaiger, “Security bằng Thạc sĩ, Học viện Kỹ thuật Quân sự năm 2010. measures for Industrial Fieldbus Systems – State of the Hƣớng nghiên cứu hiện nay: An toàn thông tin. Art and Solutions for IP-Based Approaches” in Proc. WFCS 2004 IEEE International Workshop on Factory ThS. Nguyễn Đức Tâm Communication System, 2004. Đơn vị công tác: Học viện Kỹ thuật Mật mã, Ban Cơ yếu Chính phủ, Hà [5]. M. Tangermann, D. Reinetl, “Security concept for Nội. automation networks” in Praxis Profiline Industrial E-mail: Ethernet Volume D/E, Vogel Industrie Medien GmbH nguyenductamkma@gmail.com & Co. KG, Wurzburg, 2006. Tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật [6]. Alvaro A.Cárdenas, Saurabh Amin, Shankar điện, điện tử và truyền thông, Học Sastry, S. Secure control: Towards survivable cyber- viện Kỹ thuật Mật mã năm 1996 ; Công nghệ thông tin, physical systems. In Proceedings of the First Đại học Bách khoa Hà nội, năm 2000. Nhận bằng Thạc International Workshop on Cyber-Physical Systems, sĩ Kỹ thuật điện - điện tử và truyền thông, Học viện Kỹ June 2008. thuật Mật mã năm 2005. [7]. William Stallings, “Cryptography and Network Hƣớng nghiên cứu hiện nay: Khoa học và công nghệ security Principles and Practice”, Fifth Edition, 2011. mật mã, An toàn thông tin. [8]. FIPS-197, National Institue of Standards and ThS. Nguyễn Thị Thu Nga Technology, 11-2001. Đơn vị công tác : Sở Giáo dục và [9]. AES page http://www.nist.gov/CryptoToolkit Đào tạo Bắc Ninh, Bắc Ninh. [10]. P. Neumann, “Communication in industrial E-mail: ngant1983@hotmail.com automation - what is going on?” in Control Engineering Practice. Elsevier Ltd, 2006, vol. 15, pp. 1332–1347. Tốt nghiệp chuyên ngành sƣ phạm tin học, Đại học Sƣ phạm Huế năm [11]. Nguyễn Đào Trƣờng, Nguyễn Đức Tâm, “Một 2007. Nhận bằng Thạc sĩ chuyên phƣơng pháp chống tấn công giả mạo trong hệ thống ngành Khoa học máy tính, Đại học Công nghệ thông điều khiển”, Tạp chí Nghiên cứu KH-CN số 31, 06- tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên năm 2014. 2014, Tr. 104-108. Hƣớng nghiên cứu hiện nay: Phƣơng pháp nâng cao [12]. NIST SP 800-131A, “Transitions: hiệu năng một số thuật toán Mã hóa. Recommendation for Transitioning the Use of Cryptographic Algorithms and Key Lengths”, 2011. 62 Số 1.CS (01) 2015

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.