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　　本課程包括：

　　1 概述

　　2通信安全

　　3 遭受攻擊的類型

　　4 過程自動化應(yīng)用中的安全問題

　　5 有線 vs. 無線

　　6 怎樣使無線通信更安全

　　7 最佳安全措施

　　8 總結(jié)

　　概述

　　迄今為止，關(guān)于無線通信在過程自動化領(lǐng)域的應(yīng)用中最經(jīng)常被提及的是安全問題。

　　人們對于無線網(wǎng)絡(luò)最常見的誤解是，它沒有有線網(wǎng)絡(luò)來得安全。 由于攻擊無線系統(tǒng)無需有形干擾，所以它常被誤認為比有線系統(tǒng)的安全性低。 但是事實上，有線和無線系統(tǒng)在面對攻擊的時候一樣脆弱。

　　由于這些脆弱性易為人理解，有責任感的設(shè)備供應(yīng)商以及其他組織已經(jīng)開發(fā)出相關(guān)的技術(shù)和操作方法來對系統(tǒng)進行保護。 選擇并使用正確的安全措施將給您帶來一個安全、可靠而且易于使用的網(wǎng)絡(luò)――不管是有線還是無線都一樣。 當您了解了這些風險，采取措施進行防護并不困難。

　　在本課程中您將學(xué)到關(guān)于通信安全問題的一些基本知識，包括在什么情況下無線網(wǎng)絡(luò)會被攻擊等等。您還可以學(xué)到對相關(guān)安全技術(shù)和最佳操作方法的介紹， 以幫助您對無線技術(shù)方案實施有效的安全策略。

　　因為自組織現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)是無線技術(shù)在工廠內(nèi)的一個重要的新應(yīng)用，所以往往會導(dǎo)致大量關(guān)于安全方面的討論。因此，雖然本課程中討論的安全原則可應(yīng)用于過程自動化領(lǐng)域的所有無線技術(shù)，我們?nèi)匀徊捎脧S內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)作為例證。

　　在課程的末尾您將會發(fā)現(xiàn)一個簡短的測驗，幫助您回顧所學(xué)的知識――并贏得寶貴的獎勵點數(shù)。

　　提示

　　在您閱讀本課程內(nèi)容的時候，請留意下面這些問題的答案：

　　通信安全的定義是什么?

　　有線系統(tǒng)的安全同無線系統(tǒng)有哪些不同?

　　一個有效的無線安全策略都包括哪些重要組成部分?

　　使您的無線網(wǎng)絡(luò)更加安全的最佳措施都有哪些?

　　下一節(jié)： 通信安全

　　通信安全

　　通信安全指的是將可驗證的數(shù)據(jù)從可信任的數(shù)據(jù)源發(fā)送到可信任的接收方而期間無第三方干擾的能力。

　　安全通信系統(tǒng)可以使您：

　　鑒別發(fā)送器和接收器――也就是說，要確認它們跟自稱的是否一致。

　　驗證信息有效――驗證收到的信息是否同發(fā)出的信息相一致。

　　數(shù)據(jù)加密――未經(jīng)授權(quán)者即使收到數(shù)據(jù)也無法閱讀。

　　這些都不是什么新概念了。 作為保證通信安全的方法，鑒別、驗證和加密早就以某些形式而存在了。

　　在討論這些技術(shù)如何影響無線網(wǎng)絡(luò)的安全之前，讓我們先回顧一下歷史，看一看在戰(zhàn)爭期間國王是如何利用信使將他的命令傳送給戰(zhàn)場指揮官的：

　　首先，國王將信息加密，或者將信息用密碼寫成，密碼只有他和戰(zhàn)地指揮官才能理解。

　　國王將信件以蠟封緘，當接收人看到蜂蠟完好時，可以認為信件未經(jīng)篡改，并以此對內(nèi)容進行驗證。

　　最后，國王、信使和指揮官使用預(yù)先安排的口令來鑒別信息的送出和接收者是否正確。

　　戰(zhàn)場指揮官然后將信息解密，并貫徹國王的指示。

　　現(xiàn)代通信使用相似(但是更為復(fù)雜)的安全技術(shù)，這些我們將在本課程后面加以分析。

　　但我們首先需要考慮的問題是，當國王的(或您的)敵人試圖干擾通信時，將會發(fā)生什么情況?

　　下一節(jié)： 遭受攻擊的類型

　　遭受攻擊的類型

　　僅管有加密、鑒定和認證，您的通訊仍然有可能遭到攻擊，尤其當您沒有很好地實施安全措施時，就更容易遭受攻擊了。

　　拒絕服務(wù)

　　欺騙

　　中途攻擊

　　信息重放

　　我們還是使用和國王、信使以及戰(zhàn)場指揮官同樣的類推方法，來演示一下每種攻擊都是如何進行的。

　　拒絕服務(wù)類型的攻擊是使用無用信息充塞信息通道，以此來阻止系統(tǒng)正常工作。這種攻擊包括阻塞，或者在信息通路上制造干擾等等。 例如國王的敵人可能會將道路用樹枝和巖石堵塞，以防止信使及時通過來傳遞信息。

　　欺騙。利用他人身份，試圖進入系統(tǒng)。 在本例中，有人假裝成國王，派遣自己的信使傳遞假信息給戰(zhàn)地指揮官。

　　中途攻擊。攻擊者在半路上截取、更改和/或控制信息而不讓發(fā)送者和接收者知道，他們之間的聯(lián)系已然遭受變化。

　　例如，國王派遣他信任的信使來傳遞信息――其實這個人并不值得信任; 信使將信息交給了另外一個人，這個人將信息加以更改;然后信使將新信息傳達給戰(zhàn)地指揮官。

　　信息重放是一種網(wǎng)絡(luò)攻擊的形式。 在這種情況下，信息未經(jīng)授權(quán)而被儲存，然后在發(fā)送者不知情的情況下被重復(fù)發(fā)送。

　　例如，不值得信賴的信使可能將國王的信息傳達給戰(zhàn)地指揮官，然后第二天，同樣的信息又被發(fā)送了一次――然后每天發(fā)送一次。 如果命令的內(nèi)容是告訴指揮官將軍隊向西移動五英里，那么每接到這么一次命令軍隊都會移動五英里，以至于最后遠遠地偏離了指定位置。

　　各種現(xiàn)代形式的攻擊(以及其它不正當?shù)年幹\)使用電子方法進行，但是對您的通信以及依賴于通信的過程操作具有同樣巨大的破壞力――除非您知道如何有效地保護您的網(wǎng)絡(luò)。

　　下一節(jié)：過程自動化應(yīng)用中的安全問題

　　過程自動化應(yīng)用中的安全問題

　　電子郵件或電話通信的中斷已經(jīng)夠煩人的了，但是假如攻擊發(fā)生在過程控制通信中，那么后果可能嚴重得多了。 可以想象一下一個錯誤的數(shù)據(jù)可能帶來的一系列后果――產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生問題、打亂計劃的停工期、無效勞動、以及健康、安全問題或環(huán)境事故等等。

　　雖然大多數(shù)工廠都在維護物理性安全方面有積極的計劃，傳統(tǒng)上過程控制信息的電子安全卻很少得到關(guān)注。但是后來過程控制網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)同其它的工廠以及商務(wù)系統(tǒng)――直到同外界互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系――越來越多，安全方面的情況也就隨之發(fā)生了變化。

　　為了在這些情形下對數(shù)據(jù)加以保護，如今工廠一般會采用分層的方法來保證通信安全。

　　防火墻可以作為分層安全措施的一部分，用來保護過程數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)免遭外部攻擊。

　　在這個例子當中， 第一層安全防護是高質(zhì)量、工業(yè)級的防火墻，處于因特網(wǎng)和公司的局域網(wǎng)(LAN)之間; 第二層是第二道防火墻，連接公司LAN和過程控制網(wǎng)絡(luò)。過程控制網(wǎng)絡(luò)由DCS/PLC，自動和優(yōu)化分組，歷史數(shù)據(jù)記錄儀和數(shù)據(jù)庫組成。每道防火墻都為它連接的兩個網(wǎng)絡(luò)之間提供一道電子安全屏障，阻擋未經(jīng)授權(quán)的或具有潛在危險的信息。

　　然而，商業(yè)防火墻根據(jù)設(shè)計通常是同因特網(wǎng)協(xié)議而非控制系統(tǒng)通信一起工作。 這一點常常讓人們感到緊張，因為他們擔心設(shè)備會收到來自于網(wǎng)絡(luò)方面的攻擊――或者網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)備收到攻擊。

　　但是這就是無線網(wǎng)絡(luò)比類似的有線網(wǎng)絡(luò)安全性低的原因嗎?

　　下一節(jié)： 有線 VS 無線

　　有線VS 無線

　　無線系統(tǒng)無需物理性干擾即可被攻擊， 這是人們常常覺得無線比有線系統(tǒng)安全性差的一個原因。 但是事實上，無線和有線系統(tǒng)同樣易受攻擊。

　　關(guān)于無線系統(tǒng)的一個常見的誤解是，假如一個流氓設(shè)備處于無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，它很容易被連接到附屬的過程控制網(wǎng)絡(luò)中去。事實上卻不是這樣的，這一點在后面有更加詳細的討論。另外，這些低功率無線設(shè)備一般來說必須處于非常近的距離范圍內(nèi)(大約750英尺或250米)才能進行通信。這個距離范圍十分有限，對于外部設(shè)備而言要對工廠內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾是很困難的。

　　無線網(wǎng)絡(luò)有限的覆蓋范圍使攻擊很難成功。

　　即使外部設(shè)備可以進入網(wǎng)絡(luò)，正在形成的標準也可以通過界定一些方法(將在本課程的下一部分介紹)對通信過程進行保護。 按照這些標準生產(chǎn)的產(chǎn)品將使過程自動化網(wǎng)絡(luò)非常穩(wěn)定地運行，并接受保護，免遭這些類型的攻擊。

　　事實上，出于安全意識的提高，無線設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)商們在設(shè)計產(chǎn)品的時候也在考慮安全問題。因此，這些產(chǎn)品通常不是過程控制操作中的首要安全問題，相反，真正的問題常常來自于老式的DCS系統(tǒng)和私有協(xié)議，因為它們在一開始設(shè)計的時候并沒有考慮到我們今天要考慮的安全問題。

　　下一節(jié)：怎樣使無線通信更安全

　　怎樣使無線通信更安全

　　無線設(shè)備供應(yīng)對于無線設(shè)備的潛在安全風險以及對風險的關(guān)切做了仔細的研究，并采取步驟將這些安全措施整合到產(chǎn)品中去。

　　根據(jù)我們在本課程前面的講述，最有效的無線安全策略包括三種能力：

　　識別發(fā)送者和接收者

　　核實數(shù)據(jù)的有效性

　　為數(shù)據(jù)進行加密

　　另外，在我們舉的國王和戰(zhàn)場指揮官的例子中，當他們交換了信息之后還有兩個更加重要的問題：

　　定期改變密碼的關(guān)鍵管理措施

　　防阻塞，避免干擾和通信空間被堵塞

　　讓我們更加仔細地研究一下這幾個方面：

　　下一節(jié)：怎樣使無線通信更安全――識別

　　使無線通信更加安全--識別

　　如前所述，通過識別，我們可以辨別發(fā)送者和接收者是否真的同其自己宣稱的一致。 在無線網(wǎng)絡(luò)方面， 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信設(shè)備應(yīng)該證明它們是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)授權(quán)的節(jié)點，同有關(guān)信息所稱相一致。

　　經(jīng)過授權(quán)的設(shè)備可以通過交換“密鑰”來對彼此進行鑒別，這些密鑰是一種數(shù)字編碼，等同于口令，已經(jīng)被編入設(shè)備和主機之中。 通過這種方法，我們可以防止那些沒有正確密鑰的流氓設(shè)備或者黑客通過訪問點侵入網(wǎng)絡(luò)并進行通信，好像它們是網(wǎng)絡(luò)的有效節(jié)點一樣。

　　有些供應(yīng)商將識別能力在制造的時候就整合到無線網(wǎng)關(guān)當中。(網(wǎng)關(guān)用來從無線網(wǎng)絡(luò)中收集數(shù)據(jù)，然后將信息傳遞到過程控制網(wǎng)絡(luò))。正如在有限網(wǎng)絡(luò)中一樣，這些網(wǎng)關(guān)僅僅容許經(jīng)過授權(quán)的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)――這樣您就可以在安裝和運行的時候定義這些設(shè)備的身份。

　　例如，您可對網(wǎng)關(guān)進行編程，這樣只有來自于已知的發(fā)送器才可以連接到網(wǎng)絡(luò)中去。 任何不在名單上的發(fā)送器，將無一例外地被認定為“流氓設(shè)備”，它們的訪問將遭到拒絕。 隨后發(fā)送器將接受那些僅僅來自于以前認定的網(wǎng)關(guān)或其它經(jīng)過網(wǎng)關(guān)認定為授權(quán)設(shè)備的信息。

　　流氓設(shè)備還可以通過另外一種方法來破壞網(wǎng)絡(luò)， 即偽裝成獲得授權(quán)的設(shè)備，然后截取并修改信息(稱作“欺騙”)。在這種情況下，利用信息完整性檢測碼，網(wǎng)關(guān)仍然可以防止流氓設(shè)備在您的網(wǎng)絡(luò)上進行通信。 下面有關(guān)部分將詳細解釋這個問題。

　　下一節(jié): 使無線通信更加安全――核實

　　使無線通信更安全--核實

　　有一種可以對信息進行核實，看看它是否在通信的過程中遭到更改的方法是使用信息完整檢測碼。信息完整檢測碼是一種特殊形式的求校驗和，或者數(shù)學(xué)上的值，在從設(shè)備到網(wǎng)關(guān)和從網(wǎng)關(guān)到設(shè)備的通信過程中被加到通信包上去。

　　例如，假如有流氓設(shè)備試圖偽裝成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)合法的壓力變送器，在通信時它附帶的數(shù)學(xué)值將被發(fā)現(xiàn)同正確的信息完整檢測碼不符，這時信息將被認定為無效，并為接收器所擯棄。

　　有些網(wǎng)絡(luò)使用時間標記來提供另外一種水平的信息核實方法。 這時信息完整檢測碼將變?yōu)橐环N時間性功能。通過這種方法可以防止信息“重放”類型的攻擊，因為重復(fù)通信的時間標志不會符合信息完整檢測碼，簡單來說，時間標記可以保證信息的“新鮮度”。

　　下一節(jié)： 使無線通信更加安全――加密

　　使無線通信更加安全--加密

　　密碼技術(shù)用于無線網(wǎng)絡(luò)時，可以通過數(shù)字“密鑰”利用數(shù)學(xué)方法來改變信息中的數(shù)據(jù)，或者將數(shù)據(jù)重新拼湊組合，使任何接受設(shè)備或系統(tǒng)以外的人無法閱讀(接收器可以使用匹配的密鑰來對數(shù)據(jù)進行解密)。

　　為了盡可能地減少未加密數(shù)據(jù)的暴露，在產(chǎn)生信息的實際設(shè)備那兒進行加密是一種很好的方法。

　　數(shù)據(jù)加密的方法有多種類型，這里我們只講述兩種最常見的方法：

　　AES (高級加密標準)是美國政府的一種標準，為許多對安全要求較高的組織應(yīng)用，例如，聯(lián)邦儲備銀行用它在銀行之間傳遞貨幣。雖然這種加密技術(shù)非常可靠，但是它在計算方面要求很高，對于一些嵌入式的、用于工廠設(shè)備例如閥門和變送器的計算裝置來說，由于它們都過于嬌小，功率甚低，所以很難使用。然而，由于ASICs 的到來(專用集成電路)，這種加密功能便可以在無線設(shè)備/網(wǎng)關(guān)層次上進行應(yīng)用了。

　　XTEA (延伸小型加密算法)在計算強度方面較低――但是仍然足夠強大，使非法的信息解密幾乎沒有可能。

　　下一節(jié)：使無線通信更加安全――關(guān)鍵管理

　　使無線通信更加安全--鍵管理

　　所謂的關(guān)鍵管理指的是數(shù)據(jù)編碼解碼過程中的創(chuàng)造、分配、識別以及密鑰(密碼)的保存。

　　關(guān)鍵管理的薄弱會使得安全系統(tǒng)同時被削弱。這就好像您丟失了銀行卡――恰恰又發(fā)現(xiàn)您的密碼寫在了卡的背面一樣可怕。 或者打個比方，您以前的一個心懷不滿的員工仍舊擁有一套您的編碼密鑰，想象一下，會發(fā)生什么情況?

　　一種保證數(shù)據(jù)安全的方法是頻繁地更改編碼密鑰。 通常密鑰更改得越頻繁，您的系統(tǒng)也就越不易遭受攻擊。 但是這樣系統(tǒng)會變得更加復(fù)雜，除非您的網(wǎng)關(guān)或者其它系統(tǒng)可以進行編程，使密鑰自動地“旋轉(zhuǎn)”變化。

　　關(guān)鍵管理有三種基本層次：

　　層次1：同一制造商生產(chǎn)的所有設(shè)備都使用同樣的密鑰。這種層次聊勝于無，不建議使用。

　　層次2：同一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備都是用同一個密鑰。 假如密鑰可以定期更改的化，對大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，這種層次的安全措施是可以接受的。

　　層次3： 每一對端到端通信配合之間都使用一個不同的密鑰。例如您可以為您的壓力變送器和閥門之間使用一套密鑰，而從壓力變送器到網(wǎng)關(guān)之間使用另外一套。

　　隨著安全措施層次的提高，關(guān)鍵管理復(fù)雜性也大大提高了。 您可以同您的安全專家和IT 團隊來共同決定哪一種對您的工廠最合適，或者使用無線設(shè)備供應(yīng)商所建議的合適的安全層次。

　　下一節(jié)：使無線通信更加安全――防阻塞

　　使無線通信更加安全--防阻塞

　　防阻塞能力減少了射頻或者其它的電磁信號的干擾，這些信號可能是有意的，也可能是無意的，但是都可能會中斷網(wǎng)絡(luò)通信。

　　有種稱作擴頻的防阻塞技術(shù)，是通過將信息在更大的帶寬上進行分配后進行傳輸，以最大可能地保證通信的成功。 常見的有兩種方法：即跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS).

　　FHSS 將通信集中成隨時間快速變化的一種獨特的頻率，如果一個頻率遭到干擾或障礙而堵塞，信息可以在很短的時間內(nèi)跳到另外一個頻率來恢復(fù)進行。

　　DSSS用于Wi-Fi (IEEE802.11)通信技術(shù)，其中每個“0”或者“1”都用一個特定頻率的數(shù)字信息來表示，頻率之間具有微小的變化。這樣即使干擾使得通信部分中斷，接收器仍然可以識別足夠的其它頻率。

　　有些無線網(wǎng)絡(luò)同時使用FHSS 和DSSS 以便確保通信安全。

　　下一節(jié)：使無線通信更加安全――將所有安全措施放在一起

　　由于您不可能確切地知道您會面對哪些類型的攻擊，所以一個好的保護措施應(yīng)該能夠防備所有類型的攻擊。 下面的圖表表示了我們剛剛評論的技術(shù)當中哪一種能夠減低常見的安全威脅帶來的風險。 (這個圖表并非指所有可能的安全威脅)。

　　下一節(jié)： 最佳安全措施

　　最佳安全措施

　　只要通信安全措施得當，無線通信技術(shù)可以為您帶來可觀的成本和性能效益。

　　讓我們來看一下在一些行業(yè)中的最佳實際操作方法，這些方法可以幫您加強網(wǎng)絡(luò)的安全(不管是有線的還是無線的)，并保護數(shù)據(jù)的安全。

　　堅持開放標準。 私有軟件和協(xié)議常常很有誘惑力，使人相信因為知道它們的人更少，所以也就更安全。但是即使供應(yīng)商特定的協(xié)議，那些真正想找到它們的人也一樣會輕易得手，反過來利用它們來對付您。

　　但是如果使用開放標準， 您會受益于其他人所作的工作，并繼續(xù)受益，還可以持續(xù)對穩(wěn)定性和安全性進行改善，并增加新的功能。

　　選擇致力于安全方面的設(shè)備供應(yīng)商。 保護網(wǎng)絡(luò)安全最重要的步驟之一，是尋找一個能夠理解本課程所列舉的安全問題的供應(yīng)商來進行合作。 安全措施應(yīng)該設(shè)計到網(wǎng)絡(luò)框架中去，而不是事后添加。

　　領(lǐng)先的過程自動化無線技術(shù)的供應(yīng)商，通常會考慮到一個安全可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方方面面， 并且知道如何執(zhí)行一個有效的安全策略的所有組成部分，包括加密、識別、核實、關(guān)鍵管理以及防阻塞技術(shù)等等。這樣強力有效的安全措施就會易于實行，而難以忽視。

　　同您的IT部門密切合作。 您的IT 團隊具有記錄完整的安全實踐措施，可以為您的無線安全網(wǎng)絡(luò)提供幫助。 您可能需要先幫助它們理解您的應(yīng)用和他們已經(jīng)習(xí)以為常的辦公以及商業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用之間的區(qū)別，但是原則總是一樣的。

　　關(guān)于這個話題更多的內(nèi)容，請參考IT 協(xié)調(diào)這篇課程。

　　下一節(jié)：總結(jié)

　　總結(jié)

　　在本課程中您學(xué)到在過程操作中使用無線技術(shù)的安全問題，以及如何保護您的網(wǎng)絡(luò)免遭攻擊的方法。

　　本課程中包含的要點如下：

　　只要措施得當，無線網(wǎng)絡(luò)可以同有線網(wǎng)絡(luò)一樣安全。因為無線設(shè)備在設(shè)計時就已經(jīng)考慮到安全問題，所以甚至有可能比有線網(wǎng)絡(luò)更加安全。

　　對通信安全進行的潛在攻擊方法包括： 拒絕服務(wù)、欺騙、中途截取以及信息重放等。

　　只有綜合了所有加密、識別、核實、關(guān)鍵管理以及防阻塞的方法，安全措施才最有效。 只有綜合使用所有這些方法，您才會擁有真正的安全。

　　安全措施必須設(shè)計到系統(tǒng)架構(gòu)中去，而不是事后添加。

　　經(jīng)驗豐富的設(shè)備供應(yīng)商使您的安全策略的實施更加容易。但是要保證通信安全仍然是您的責任。而應(yīng)用最佳安全措施將會有助于您的網(wǎng)絡(luò)安全。

　　艾默生公司的優(yōu)勢

　　艾默生用以實現(xiàn)無線安全的方法得益于我們對無線技術(shù)及其在過程自動化應(yīng)用方面的諳熟。

　　這是因為我們理解用戶對于過程操作以及數(shù)據(jù)的關(guān)切，將安全措施設(shè)計到我們的無線產(chǎn)品中去。 例如，我們的智能無線技術(shù)方案包括 Rosemount 1420無線網(wǎng)關(guān)，帶有自動化的密鑰輪換功能和其它的關(guān)鍵管理功能，一旦安裝即可使用。

　　簡短來說，我們使無線安全的實現(xiàn)變得容易。