CN110795754B - 一种基于fpga的维护信息安全方法 - Google Patents
一种基于fpga的维护信息安全方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于工业级控制系统技术领域，具体涉及一种基于FPGA的维护信息安全方法。本发明技术方案基于FPGA的维护信息安全方法，从而能加强对分布式控制系统(DCS)和工程师站的数据安全，对通信进行加密和签名，保证在控制系统收到恶意攻击时，还能正常可靠的运行。
Description
技术领域
本发明属于工业级控制系统技术领域，具体涉及一种基于FPGA的维护信息安全方法。
背景技术
随着计算机系统和其他数字设备在工业领域的广泛应用，特别是信息化与工业化深度融合以及物联网的快速发展，电力监控系统产品的网络化，信息化和智能化水平进一步提升。随着计算机和网络技术的发展，电力监控系统产品以互联网+等公共网络连接病毒，木马等威胁正在向电气系统扩散，电力行业系统的安全事件明显增多，系统安全漏洞数量不断增长。核电站作为电力系统的重要组成部分，具有机组容量大，进口设备多且涉及核安全等特点，因而其在信息安全问题上也比普通电厂要求更高。
电力行业信息安全与传统信息安全存在较大差别，且核电安全技术水平和防护能力，当前还处于起步阶段，造成核电站电气监控系统面临着较以往更大的信息安全风险，安全形势严峻，目前在役和在建的核电站中，对全生命周期中的电气系统，信息安全缺乏有效的防护措施，信息安全防护能力薄弱。
核电站DCS控制站和工程师站之间的通信采用SM4加密算法，上位机对配置信息进行加密，下位机模块基于FPGA技术对加密信息进行解密，可以保证核电站的DCS系统信息的真实与完整，不受偶然或者恶意的网络攻击使信息遭到破坏、篡改、泄露，保护平台中的硬件、软件及其系统中的数据，保证系统连续可靠的正常运行。
传统的技术方案由于面临上述不足，因此亟需研制一种基于FPGA的维护信息安全方法，从而解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于FPGA的维护信息安全方法，从而能加强对分布式控制系统(DCS)和工程师站的数据安全，对通信进行加密和签名，保证在控制系统收到恶意攻击时，还能正常可靠的运行。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于FPGA的维护信息安全方法，应用于核电站的控制系统，工程师站通过网络与多个控制站通信；包括以下步骤：
(1)工程师向控制站下发数据
(1.1)工程师站下发数据格式
工程师站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(1.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；
(1.3)对签名后的数据进行加密；
工程师站将经过步骤(1.2)数字签名和步骤(1.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
(1.4)工程师站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给控制站；
(1.5)控制站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法与步骤(1.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
(1.6)解密后的数据使用数字签名算法校验签名，签名认证通过后采用；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2)控制站向工程师站回复数据
步骤(2)的过程与步骤(1)相互匹配。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(1.1)中，工程师站下发控制站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(1.1)中，工程师站下发控制站的数据包的数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(1.2)中，数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(1.3)中，加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(1.3)中，加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(1)中，加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理。
进一步的，如上所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，步骤(2)的具体过程为：
(2.1)控制站准备好将所有发送的数据，然后进行16字节补零对齐；
控制站发给工程师站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成；
数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值；
控制站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(2.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2.3)对签名后的数据进行加密；
控制站将经过步骤(2.2)数字签名和步骤(2.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特；
加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；
(2.4)控制站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给工程师站；
(2.5)工程师站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密采用SM4分组算法时，解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理；
解密算法与步骤(2.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
(2.6)解密后的数据使用数字签名算法校验签名，签名认证通过后采用。
本发明技术方案的有益效果在于：
对与DCS系统通信的设备进行身份识别和数据加密，可以保证DCS系统不受偶然或者恶意的网络攻击使信息遭到破坏、篡改、泄露，保护平台中的硬件、软件及其系统中的数据，保证系统连续可靠的正常运行。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
一种基于FPGA的维护信息安全方法，应用于核电站的控制系统，工程师站通过网络与多个控制站通信；包括以下步骤：
(1)工程师向控制站下发数据
(1.1)工程师站下发数据格式
工程师站下发控制站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成；
工程师站下发控制站的数据包的数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值；
工程师站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(1.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(1.3)对签名后的数据进行加密；
工程师站将经过步骤(1.2)数字签名和步骤(1.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特；
加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；
(1.4)工程师站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给控制站；
(1.5)控制站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理；
解密算法与步骤(1.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
(1.6)解密后的数据使用数字签名算法校验签名，签名认证通过后采用；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2)控制站向工程师站回复数据
(2.1)控制站准备好将所有发送的数据，然后进行16字节补零对齐；
控制站发给工程师站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成；
数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值；
控制站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(2.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2.3)对签名后的数据进行加密；
控制站将经过步骤(2.2)数字签名和步骤(2.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特；
加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；
(2.4)控制站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给工程师站；
(2.5)工程师站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密采用SM4分组算法时，解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理；
解密算法与步骤(2.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
(2.6)解密后的数据使用数字签名算法校验签名，签名认证通过后采用。
Claims (3)
1.一种基于FPGA的维护信息安全方法，应用于核电站的控制系统，工程师站通过网络与多个控制站通信；其特征在于，解密算法由FPGA实现，包括以下步骤：
(1)工程师向控制站下发数据
(1.1)工程师站下发数据格式
工程师站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(1.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；
(1.3)对签名后的数据进行加密；
工程师站将经过步骤(1.2)数字签名和步骤(1.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
(1.4)工程师站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给控制站；
(1.5)控制站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法与步骤(1.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
(1.6)解密后的数据使用数字签名算法校验签名，签名认证通过后采用；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2)控制站向工程师站回复数据
步骤(2)的过程与步骤(1)相互匹配；
步骤(1.1)中，工程师站下发控制站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成；
步骤(1.1)中，工程师站下发控制站的数据包的数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，其特征在于：步骤(2)的具体过程为：
(2.1)控制站准备好将所有发送的数据，然后进行16字节补零对齐；
控制站发给工程师站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成；
数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值；
控制站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(2.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2.3)对签名后的数据进行加密；
控制站将经过步骤(2.2)数字签名和步骤(2.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特；
加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；
(2.4)控制站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给工程师站；
(2.5)工程师站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密采用SM4分组算法时，解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理；
解密算法与步骤(2.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
(2.6)解密后的数据使用数字签名算法校验签名，签名认证通过后采用。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的维护信息安全方法，其特征在于：
步骤(1.2)中，数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
步骤(1.3)中，加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特；
加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；
解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理；
步骤(2)的具体过程为：
(2.1)控制站准备好将所有发送的数据，然后进行16字节补零对齐；
控制站发给工程师站的数据包由包头、数据载荷、以及校验组成；
数据格式满足以下条件：
字段SYN表示前导码；字节数量为：7；值：7个0x55H；
字段SFD表示帧边界；字节数量为：1；值：0xD5；
字段DA表示MAC目的地址；字节数量为：6；值：站地址；
字段SA表示MAC源地址；字节数量为：6；值：由上位机填写；
字段LE表示数据包长度：128数据+10状态字；字节数量为：2；值：0x8A；
字段DATA表示应用层数据；字节数量为：138；值：数据；
字段FCS 4表示CRC字段：DATA+DA+SA+LE字段；字节数量为：4；值：CRC值；
控制站准备好所有发送的数据后，对DATA字段以16字节补零对齐；
(2.2)对填补后的数据进行数字签名，签名后DATA字段长度为160字节；
数字签名算法为以下算法中的一种：128bitRSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir、Des/DSA、椭圆曲线数字签名算法、有限自动机数字签名算法；
(2.3)对签名后的数据进行加密；
控制站将经过步骤(2.2)数字签名和步骤(2.1)补零后的数据包拼接，然后对拼接后的数据包进行加密；
加密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
加密采用SM4分组算法时，包括以下步骤：将160字节，分为10组，每组16字节，分别加密；将这10组加密后的数据，按照顺序拼接在一起；该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特；
加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；
(2.4)控制站对包头、加密后的160字节计算CRC，发送给工程师站；
(2.5)工程师站收到数据后，首先CRC进行校验正确，再检查目的地址是否与本站匹配，查看包头是否正确，通过后对160字节的数据进行解密；
解密算法采用以下算法中的一种：RSA、AES、SM1、SM4、SHA-1；
解密采用SM4分组算法时，解密算法由FPGA实现，将160字节分成10组，并行解密处理；
解密算法与步骤(2.3)中加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；
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Publications (2)
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2019
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| Title |
|---|
| 基于FPGA的DCS以太网通讯系统设计;秦龙;《中国优秀硕士学位论文全文数据库·工程科技Ⅱ辑》;20150115;C042-755 * |
| 核电工控系统信息安全的密码应用研究;赵爽等;《电脑知识与技术》;20180228;第35-36页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110795754A (zh) | 2020-02-14 |
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