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无线传感网络在工业控制中应用的安全问题研究

更新时间：2019-12-30 19:00:53 大小：798K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：无线传感网络工业控制 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

无线传感器网络的安全问题已经受到广泛关注,特别在其进入工业控制领域及军用领域后,但典型的传感器节点设计受计算能力、存储能力及无线链路的频带宽度限制,这些限制导致无法设计更为完善及复杂的安全策略.工业用传感器很多情况下可使用有源电力供电或太阳能供电,所以传感器设计上一般具有较强的计算能力及电池续航能力,在针对无线传感器网络的攻击行为中只有部分会对其网络产生巨大影响,微型传感器所存在的一些针对能量或计算能力的攻击模式基本无法有效影响工业上使用的传感器.本文针对这些特点分析了一些热点研究的安全技术,并探讨了工业用无线传感器网络安全的进一步研究方向.

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2017耳第1期

文章编号：1009—2552l 2017)0l一0047—05

DOI：10．13274／j．cnki．hdzj．2017．01．012

无线传感网络在工业控制中应用的安全问题研究

杨忠明1’2，秦

勇3，卢庆武4

(1．广东科学技术职业学院计算机工程技术学院，广东珠海519090；2．广东省石化装备战障诊断重点交验室，

广东茂名525000；3．东莞理下学院汁算机学院，广东东莞523808；4．惠州学院教育技术巾心，广东惠州516000)

摘要：无线传感器网络的安全问题已经受到广泛关注，特别在其进入工业控制领域及军用领

域后。但典型的传感器节点设计受计算能力、存储能力及无线链路的频带宽度限制，这些限制

导致无法设计更为完善及复杂的安全策略。工业用传感器很多情况下可使用有源电力供电或太

阳能供电．所以传感器设计上一般具有较强的计算能力及电池续航能力，在针对无线传感器网

络的攻击行为中只有部分会对其网络产生巨大影响．微型传感器所存在的一些针对能量或计算

能力的攻击模式基本无法有效影响工业上使用的传感器。本文针对这些特点分析了一些热点研

究的安全技术。并探讨了工业用无线传感器网络安全的进一步研究方向。

关键词：工业控制；无线传感器；网络安全；密钥管理

文献标识码：A

中图分类号：TN929．5；TP393

issues of wireless sensor network

on the

Study

security

in industrial control

application

YANG

Yon93，LU Qing—WIl4

Zhong—ming。一，QIN

Institute of Science and

Technology，Zhuhal 9090，Guangdong Province，China；

(1．SCh00I of

Computer Engineering，Guangdong

Fault

Provincial

of Petrochemical

Province，

Laboratory

Key

Equipment

Dia印惦is，Maoming 525000，Guangdong

2．Guangdong

Province，China；

Technology，Dongguan 523808，Guangdong

China：3．School

Computer Science，Dongguan University

4．Center of Education

Technology，Huizhou University，Huizhou 516000，Guangdong Province，China)

have

issues of wireless sensor networks

attracted

attention，especially'after

Abstract：Security

widespread

of industrial control and

areas．While

sensor node

is restricted

design

enters the field

military

typical

make

and

bandwidth of wireless

restriction

it unable

link，these

or solar

computing power，storage capacity

frequency

can be

supplied

and

sophisticated complex

security policies．Active power

power

design

with

and

industrial sensor in

the sensor is

designed

strong computing power

battery

on its

many CflgC：'s，SO

generally

have

wireless sensor

few of them will

the attacks

great impact

life．Among

against

networks，only

micro-sensors which is

the or basic

energy

not

network．Some attack

against

computing power，can

and

patterns

industrial sensors．This article

some

these characteristics

hotspot security

effectively impact

technology，and

analyzes

seDsor network

discusses the direction of further Fesea／'ch of industrial wireless

security．

words：industrial control；wireless sensor；network security；key management

Key

领域后。在一个以自组织方式进行组网的具有数以

引言

目前无线传感器越来越多地应用于工业控制网

收稿日期：2015一12—28

络中，其相对现场总线的部署方式而言能实现灵活

组网，降低组网成本，可部署于各种不适合放置有线

线路的场景，其承担着在各种恶劣环境下实时传输

监控数据的重任。无线传感器网络的安全问题已经

受到广泛关注，特别在其进入工业控制领域及军用

基金项目：J“东省T曲高新技术领域科技计划项目(20】3Ⅸ)10401036)；

广东省优秀青年教师培养计划项目(Yq2014187)；广东省自

然科学基金项目($20130100159d0)；广东省教育厅科技创新

项日(2t)13ILlCX0178)；广东省白化装备故障诊断重点实验室

开放摹金(GDUVI'KLAIE独1322)

作者简介：杨忠明(1980一)，男，硕士，副教授。研究方向为计算机

网络，智能算法。

．，．——47————

万方数据

离在1．9km的范围内)都是无法实现的，如图1所

示。即使采用光缆通信，每个检测点需配置光电转

换接口等，投人费用大，工程实施难度大，后期维护

费用高昂。采用无线传感器网络则有建设成本低

廉、施工简易等好处。

千计个节点的无线网络中，提供一个安全的传感器

网络不是一件易事，由于节点的处理能力有限，信息

欺骗、洪泛攻击等攻击手段相当普遍。

典型的传感器节点设计受计算能力、存储能力

及无线链路的频带宽度限制，这些限制导致无法

设计更为完善及复杂的安全策略，出现节点仿造、数

据篡改、数据拦截等情况，甚至可能出现使用笔记本

电脑等更强大的计算能力伪节点攻击行为，日趋开

放的无线传感器通信模式及协议带来了更大的安全

隐患。针对传感器网络的攻击从物理破坏、链路媒

介访问控制、网络传输及应用层等几个方面人手，学

者们提出了各种解决方案包括密钥管理旧J、安全时

间同步[3]、安全位置发现HJ、安全路由”J、广播认

温

点

拈

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器

线

剃器撼搽刚

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器

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黝

蚓●厦

念

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图1 石化码头运输管线温度监控系统

证‘6

3等。

工业无线传感器控制网络中的攻击

在引入了无线传感器后，原本封闭的工业控制

有线工业控制网络

工业控制系统包含数据采集与监视控制系统

网络出现了明显的、开放式的网络环境，如图2

(SCADA)、分布式控制系统(DCS)及其他小型控制

系统，可编程逻辑控制器(PLC)为其核心控制硬件。

工业控制网络非常注重安全管控措施，长期以来其

一直沿用着封闭型设计，实施严格的生产系统与信

息系统物理隔离方案，更甚者在内部实施更细分的

区域隔离手段。目的就是为了降低通过信息系统实

施的病毒及恶意攻击，即便发生了攻击，在区域隔离

的方案中也可降低攻击对整个工业系统的影响。

在工业控制网络中，各种控制和数据采集系统

的计算能力日趋强大，当发生安全问题的时候，其节

点的强大计算能力将对网络内其他节点造成巨大破

坏。大多数工业控制系统在恶意攻击面前非常脆

弱，大多设计基于一个纯净隔离的控制环境¨ J，一

旦受到攻击则后果不堪设想。

所示。

hr一凶

、、

＆

图2封闭的工控网络与开放的无线传感网络

开放的易受攻击的无线网络接入一个原本设计

上是封闭的工业控制环境中，那么封闭网络的物理

隔离效果将不复存在，而会给恶意攻击者带来机会，

更糟糕的是网络设计者可能会遗漏这方面带来的隐

患而缺乏有效的防御手段。

如图1所示，在石油化工企业的传输管道区域

中由于地域宽阔恶意攻击者完全有机会部署多个具

有强大计算能力及续航时间较长的攻击设备，该设

备可通过无线方式采取数据篡改、DDos类流量攻

击、网络入侵等攻击方式。这类攻击将带给整个工

业控制系统一些无法估量的损失。

工业无线传感器控制网络

在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆

或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无

线局域网技术得到了发展和应用，无线传感器开始

大量用于工业现场。

一个典型的案例是石油化工企业的低温灌区与

工业无线传感器控制网络的安全

装卸码头之间的运输管线温度监控系统。运输管线

技术

距离一般在10km左右，需要在每千米的位置安装

一个温度传感器实施运输管线温度监控，在实际工

程施工中如采用有线传感器传输有较大的困难：无

论采用RS485通信方式(传输速度9．6kbit／s，距离

最远约1．2km)还是现场总线方式(通信速率

31．25kbit／s，主干和分支的总长度也不得超过

1．9km)或者是采用Profibus DP／PA的通信方式(距

无线传感器网络攻击主要有三大类，为节点攻

击、报文攻击、路由攻击。在无线传感器网络在网络

协议栈中各个层次均有可能受到攻击，目前已经存

在多种防御手段针对这些攻击进行防范旧‘9J。工

业用传感器很多情况下可使用有源电力供电或太阳

能供电，所以传感器设计上一般具有较强的计算能

一48一

万方数据

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