CN103119910B - 利用vpn盒来进行安全数据传输的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

建议连接在现场设备（102）前面的VPN盒（106）在建立VPN通道时或在建立受密码保护的通信连接时使用现场设备的秘密密码密钥来用于认证。

Description

利用VPN盒来进行安全数据传输的方法和系统
技术领域
本发明涉及利用虚拟私人网络（VPN）盒来进行安全数据传输的方法以及系统。
背景技术
开放的通信协议（以太网，IP协议）在工业现场设备（传感器、执行器、子系统控制装置）中采用并且代替了专有的现场总线。为了防操纵或防窃听地保护控制数据、维护数据和诊断数据的传输，使用密码保护机制，例如MACse、IPsec、SSL/TLS或者WS安全性。
但是常常行不通的是，将所需的功能集成到现场设备本身中。因此在市场上有可以连接在这种现场设备前面的虚拟私人网络（VPN）盒可用。
所述虚拟私人网络（VPN）盒对现场设备的数据传输进行加密。为此，必须在VPN盒上配置和存储秘密的密码密钥或口令。这是费时的和容易出错的。
发明内容
本发明的任务因此是，提出一种具有可简单执行的配置的用于保护数据通信连接的VPN盒。
该任务通过具有权利要求1、4、5和6的特征的方法和系统来解决。本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中说明。
建议连接在现场设备前面的VPN盒在建立VPN通道时或在建立受密码保护的通信连接时使用现场设备的秘密的密码密钥（用于对称密码方法的秘密密钥，例如DES、AES，或者用于非对称密码方法的私人密钥，例如RSA、DSA、ECC）来用于认证。
现场设备的该密钥存储在现场设备本身上，但是被VPN盒使用，以便建立分配给现场设备的受保护的通信连接。现场设备的数据分组（控制数据、监视数据、配置数据）受密码保护地经由VPN通道传输并且由现场设备转发或转发给现场设备。VPN通道因此被分配给该现场设备。
现场设备的密钥可以通过VPN盒附加于或者替代于存储在VPN单元上的秘密密钥来使用。
在一种变型方案中，只要存储在现场设备上的密钥可用，就使用该密钥。在其它情况下使用存储在VPN盒上的密钥。
在一种变型方案中，现场设备与插入到VPN盒中的芯片卡或者USB安全令牌类似地充当“安全令牌”。由此不必在VPN盒上配置秘密密钥。到现场设备的连接可以经由在现场设备与VPN盒之间传输现场设备的数据分组的同一通信连接来进行或者替代地经由第二通信连接（例如USB、RS232）来进行。
在此尤其是可以使用所连接的现场设备的设备认证功能。尤其是第二方案使得能够简化地建立系统并且提高设备的可维护性，因为由于物理安全机制不必在VPN盒与现场设备之间设置单独的、用于保护（认证、完整性、可信性）的密码材料。
在另一变型方案中，在VPN盒上存储分配给现场设备的密钥（例如根据较早的VPN建立/认证来存储或者还人工地配置）。
该所存储的密钥仅在通过VPN盒认证了所分配的现场设备时才被VPN盒使用。即该密钥仅在所分配的现场设备也实际上与VPN盒连接时才被使用。
在一种变型方案中，所述密钥被用另一密钥FDKEK（field device key encryption key,现场设备密钥加密密钥）来加密。该FDKEK由现场设备提供给VPN盒，以便以此对存储在VPN盒上的VPN密钥进行解密。
在通过VPN盒对现场设备进行认证时，可以进行对现场设备的进一步检验，例如询问篡改（Tamper）传感器或者软件版本状态。
VPN盒不需要密钥配置，因为在分别连接的现场设备上存在的密钥被用于VPN连接。由此，VPN盒可以在首次安装或者设备更换时被简单地投入运行。
此外，VPN盒不必具有用于持续地存储秘密的密码密钥的安全存储器。由此，可以简单地实现VPN盒。
此外实现高的安全性，因为当属于攻击者的现场设备不可用时，存储在VPN盒上的密钥也不能被该攻击者使用。
附图说明
下面根据附图利用实施例详细阐述本发明。其中：
图1以示意图示出VPN通信连接的实施例，
图2以示意图示出本发明方法的第一实施例，
图3以示意图示出本发明方法的第二实施例。
具体实施方式
图1示出本发明的工业VPN通道的应用示例。
在集控站101与现场设备102（例如信号、预选器、交换机）之间交换控制消息103。该通信例如经由以太网网络或者IP网络来进行。所述控制消息经由网络104传输，该网络104暴露于潜在的攻击下（例如公共可接入网络、因特网、WLAN、移动无线电网络）。因此在集控站处和在现场设备处分别设置VPN盒105、106，该VPN盒在经由网络（Network）传输时以密码方式保护控制消息。为此例如可以采用IPsec、IKE、SSL、TLS、MACsec、L2TP、PPTP协议。
连接在现场设备102前面的下VPN盒106在VPN连接建立时使用现场设备107的秘密密钥（FD密钥），以便设立用于保护控制消息的会话密钥SK。
有多种变型方案是可行的，这些变型方案在现场设备的秘密密钥如何被使用的方式上有区别：
现场设备作为安全令牌（VPN盒上没有密钥）
证书和私人密钥在现场设备本身上保存并且从那里被读取。VPN盒访问现场设备的“芯片卡功能”，以便建立分配给该现场设备的VPN通道。VPN盒与现场设备之间的通信信道可以通过物理方式保护，即不能通过外部对象接近。这可以经由与控制数据通信相同的物理接口来进行或者经由单独的第二接口进行。可选地，该通信可以在该接口上被加密。
通过VPN盒的现场设备认证
VPN盒上的分配给该现场设备的密钥仅在VPN盒可以认证所分配的现场设备时才被使用或激活（被释放或解密以使用）。这可以在VPN建立时由人类用户通过输入PIN或口令来进行。存储在安全令牌上（例如在芯片卡上）的密钥在通过输入PIN激活该安全令牌之后才可以被使用。
图2示出一种变型方案，其中VPN盒201具有现场设备认证机构（CA）。该VPN盒因此可以产生分配给现场设备的数字证书和密钥202。该数字证书包含现场设备的设备ID。VPN盒因此包含集成的CA功能。所述证书仅在VPN盒可以认证相应的现场设备时才被产生或使用。
该数字证书可以是持续的或者暂时的。暂时的证书仅仅对于单个的VPN会话有效。
图3示出另一变型方案，其中现场设备301具有集成的CA。因此，现场设备可以为在VPN盒上存储的或产生的VPN密钥签发数字证书。该数字证书由VPN盒在建立VPN连接时使用302（证书签发请求（CSR））。
尤其是最后两个变型方案是特别缺乏管理的，因为密钥材料的生成和认证可以自给自足地进行，即不需要服务技术人员的干预。VPN盒也可以在这两种情况下用于多个现场设备的连接。于是在这里，相应的密钥制定分别成对地在VPN盒与相应的所连接的现场设备之间执行。

Claims (6)

1.一种用于在第一通信用户和第二通信用户之间进行安全数据传输的方法，其中为通信用户中的至少一个分配用于建立和运行虚拟私人网络（VPN）连接的盒，
其特征在于，
通过所述盒在建立VPN连接时确定所分配的通信用户的秘密密钥，其中所述秘密密钥存储在所分配的通信用户自身上并且由所述盒在建立VPN连接时使用，
通过所述盒根据所述秘密密钥为所述VPN连接设立会话密钥，
数据经由所述VPN连接被安全地传输。
2.根据权利要求1的方法，其中
所述秘密密钥经由在所分配的通信用户与所述盒之间的受物理保护的通信连接来确定。
3.根据权利要求1和2之一的方法，其中
所述秘密密钥通过所述盒用于对存储在所述盒上的另外的密钥进行解密，
所述会话密钥根据经解密的另外的密钥来设立。
4.一种用于在第一通信用户和第二通信用户之间进行安全数据传输的方法，其中为通信用户中的至少一个分配用于建立和运行虚拟私人网络（VPN）连接的盒，
其特征在于，
通过所述盒来认证所分配的通信用户，
通过所述盒来确定分配给经认证的通信用户的密钥，其中所述密钥存储在所分配的通信用户自身上并且由所述盒在建立VPN连接时使用，
通过所述盒根据所分配的密钥为VPN连接设立会话密钥，
数据经由所述VPN连接被安全地传输。
5.一种用于安全数据传输的系统，具有
- 在其之间执行安全数据传输的第一通信用户和第二通信用户，
和被分配给通信用户中的至少一个以建立和运行虚拟私人网络（VPN）连接的盒，
其特征在于，
通过所述盒在建立VPN连接时确定所分配的通信用户的秘密密钥，其中所述秘密密钥存储在所分配的通信用户自身上并且由所述盒在建立VPN连接时使用，
通过所述盒根据秘密密钥为所述VPN连接设立会话密钥，
数据经由所述VPN连接被安全地传输。
6.一种用于安全数据传输的系统，具有
- 在其之间执行安全数据传输的第一通信用户和第二通信用户，
和被分配给通信用户中的至少一个以建立和运行虚拟私人网络（VPN）连接的盒，
其特征在于，
通过所述盒认证所分配的通信用户，
通过所述盒确定分配给经认证的通信用户的密钥，其中所述密钥存储在所分配的通信用户自身上并且由所述盒在建立VPN连接时使用，
通过所述盒根据所分配的密钥为VPN连接设立会话密钥，
数据经由所述VPN连接被安全地传输。
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