DE102017128421A1 - Method for the secure exchange of data by radio in automation technology - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Austausch von Daten per Funk zwischen zumindest einem Feldgerät (1) der Automatisierungstechnik und einem Bedientool (2) zum Bedienen des zumindest einen Feldgeräts (1), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
bei der Inbetriebnahme des Feldgeräts (1) wird über eine dem Feldgerät (1) zugeordnete erste Eingabeeinheit (3) ein Code von einer Bedienperson eingegeben; anhand des zumindest vierstelligen Codes wird in dem zumindest einen Feldgerät (1) über einen Pseudozufallsgenerator (4) eine Pseudozufallszahl als Netzwerkschlüssel erzeugt, wobei die Pseudozufallszahl mehr Stellen aufweist als der vierstellige Code; bei dem Bedientool (2) wird über eine zweite Eingabeeinheit (5) der gleiche zumindest vierstellige Code eingegeben oder der zumindest vierstellige Code wird aus einem dem Bedientool (2) zugeordneten Speicher (6) ausgelesen; der gleiche, dem Bedientool (2) zugeordnete Pseudozufallsgenerator (4) erzeugt für das Bedientool (2) die gleiche Pseudozufallszahl als Netzwerkschlüssel; zwischen dem Bedientool (2) und dem zumindest einen Feldgerät (1) werden Daten über eine durch den erzeugten Netzwerkschlüssel gesicherte Funkverbindung übertragen.
The invention relates to a method for the secure exchange of data by radio between at least one field device (1) of automation technology and an operating tool (2) for operating the at least one field device (1), the method comprising the following method steps:
during commissioning of the field device (1), a code is input by an operator via a first input unit (3) assigned to the field device (1); Based on the at least four-digit code, a pseudorandom number is generated as a network key in the at least one field device (1) via a pseudo-random number generator (4), the pseudo-random number having more digits than the four-digit code; in the operating tool (2), the same at least four-digit code is entered via a second input unit (5) or the at least four-digit code is read from a memory (6) assigned to the operating tool (2); the same pseudo-random generator (4) assigned to the operating tool (2) generates the same pseudo-random number for the operating tool (2) as a network key; Between the operating tool (2) and the at least one field device (1), data is transmitted via a radio link secured by the generated network key.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Austausch von Daten per Funk zwischen zumindest einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einem Bedientool zum Bedienen des zumindest einen Feldgeräts. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for the secure exchange of data by radio between at least one field device of the automation technology and a control tool for operating the at least one field device. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method.
In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte bzw. Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann.In process automation technology as well as in factory automation technology, field devices are often used to detect and / or influence process variables. Measuring devices or sensors, such as level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value or conductivity, are used to record process variables. To influence process variables are actuators, such as valves or pumps, via which the flow of a liquid in a pipeline or the level can be changed in a container.
Als Feldgeräte werden im Zusammenhang mit der Erfindung im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Neben den zuvor genannten Messgeräten/Sensoren und Aktoren werden als Feldgeräte allgemein auch solche Einheiten bezeichnet, die direkt an einem Feldbus angeschlossen sind und zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten dienen, wie z.B. Remote I/Os, Gateways, Edge Devices, Linking Devices und Wireless Adapters.In the context of the invention, field devices are in principle all devices which are used close to the process and supply or process the process-relevant information. In addition to the abovementioned measuring devices / sensors and actuators, field devices generally also refer to those units which are connected directly to a field bus and serve to communicate with the higher-level units, such as, for example, Remote I / Os, Gateways, Edge Devices, Linking Devices and Wireless Adapters.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.A large number of such field devices are manufactured and distributed by the Endress + Hauser Group.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Feldbussysteme, wie z.B. Profibus®, Foundation Fieldbus®, HART®, etc. mit einer übergeordneten Einheit verbunden. Bei der übergeordneten Einheit kann es sich um ein Leitsystem bzw. eine Steuereinheit, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder einen PLC (Programmable Logic Controller) handeln. Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die Kommunikation auf dem Bussystem kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.In modern industrial plants, field devices are generally distributed over fieldbus systems, e.g. Profibus®, Foundation Fieldbus®, HART®, etc. connected to a higher-level unit. The higher-level unit can be a control system or a control unit, such as a PLC (Programmable Logic Controller) or a PLC (Programmable Logic Controller). The higher-level units serve, among other things, for process control, process visualization, process monitoring and commissioning of the field devices. The communication on the bus system can be wired or wireless.
Üblicherweise sind die in ein Feldbusnetzwerk integrierten Feldgeräte auch über ein Bedientool bedienbar. Unter dem Begriff „Bedienen des Feldgeräts“ wird im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere das Konfigurieren und Parametrieren des Feldgeräts, aber auch die Anzeige oder das Sammeln von Mess-, Diagnose- und/oder Statusinformationen verstanden. Die Bedienung mit dem Bedientool kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.Usually, the field devices integrated in a fieldbus network can also be operated via an operating tool. The term "operating the field device" is understood in connection with the invention in particular the configuration and parameterization of the field device, but also the display or the collection of measurement, diagnostic and / or status information. Operation with the operating tool can be wired or wireless.
In vielen Automatisierungsanlagen muss die Kommunikation in dem Bussystem höchsten Sicherheitsanforderungen genügen. Unerlaubte Eingriffe in den in der Automatisierungsanlage laufenden Prozess und unerlaubte Manipulationen an den eingesetzten Feldgeräten müssen zuverlässig ausgeschlossen sein. Eine besondere Bedeutung gewinnt dieser Sicherheitsaspekt bei drahtlosen Feldbusnetzwerken.In many automation systems, the communication in the bus system must meet the highest safety requirements. Unauthorized interventions in the process running in the automation system and unauthorized manipulation of the field devices used must be reliably ruled out. This security aspect gains particular importance in wireless fieldbus networks.
Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt geworden, bei denen nur solche Komponenten auf einem Funknetzwerk kommunizieren, die über das korrekte Passwort bzw. den korrekten Netzwerkschlüssel verfügen. Damit die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Hackerangriffs gering ist, muss das Passwort aus möglichst vielen Stellen unterschiedlicher alphanumerischer Zeichen (Ziffern, Buchstaben und Sonderzeichen) bestehen. Hierdurch ist gewährleistet, dass nur autorisierte Personen Zugang zu dem Funknetzwerk haben, um z.B. Änderungen an Parametern vorzunehmen oder Informationen abzurufen.From the prior art solutions have become known in which only those components communicate on a wireless network, which have the correct password or the correct network key. To minimize the likelihood of a successful hacker attack, the password must consist of as many digits as possible of different alphanumeric characters (numbers, letters, and special characters). This ensures that only authorized persons have access to the radio network, e.g. Make changes to parameters or retrieve information.
Damit die Kommunikation möglich ist, muss insbesondere bei der Inbetriebnahme der Feldgeräte in dem Funknetzwerk ein Netzwerkschlüssel bzw. ein vielstelliger Code in das Feldgerät eingegeben werden. Diese Eingabe erfolgt manuell und ist mühsam, da Feldgeräte üblicherweise nur wenige Tasten zur Eingabe von Daten aufweisen. Oftmals erfolgt die Eingabe über DIP-Schalter- eine Eingabe, die Zeit kostet, nervig und recht fehleranfällig ist.For the communication to be possible, a network key or a multi-digit code must be entered into the field device, in particular when the field devices are put into operation in the radio network. This input is manual and cumbersome, since field devices usually have only a few keys for entering data. Often, the input via DIP switches - an input that costs time, annoying and quite error-prone.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine benutzerfreundliche Inbetriebnahme eines Funknetzwerks mit mehreren Feldgeräten erlaubt.It is therefore an object of the invention to propose a method that allows a user-friendly commissioning of a radio network with multiple field devices.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum sicheren Austausch von Daten per Funk zwischen zumindest einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einem Bedientool zum Bedienen des zumindest einen Feldgeräts. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- • bei der Inbetriebnahme des Feldgeräts wird über eine dem Feldgerät zugeordnete Eingabeeinheit ein Code von einer Bedienperson eingegeben,
- • anhand des zumindest vierstelligen Codes wird in dem zumindest einen Feldgerät über einen Pseudozufallsgenerator eine Pseudozufallszahl als Netzwerkschlüssel erzeugt, wobei die Pseudozufallszahl mehr Stellen aufweist als der vierstellige Code,
- • bei dem Bedientool wird über eine zweite Eingabeeinheit der gleiche zumindest vierstellige Code eingegeben oder der zumindest vierstellige Code wird aus einem dem Bedientool zugeordneten Speicher ausgelesen,
- • der gleiche, dem Bedientool zugeordnete Pseudozufallsgenerator erzeugt für das Bedientool die gleiche Pseudozufallszahl als Netzwerkschlüssel,
- • zwischen dem Bedientool und dem zumindest einen Feldgerät werden Daten über eine durch den erzeugten Netzwerkschlüssel gesicherte Funkverbindung übertragen.
- During commissioning of the field device, a code is entered by an operator via an input unit assigned to the field device,
- • Based on the at least four-digit code, a pseudo-random number is generated in the at least one field device via a pseudo-random generator generated as a network key, wherein the pseudo-random number has more digits than the four-digit code,
- In the operating tool, the same at least four-digit code is input via a second input unit or the at least four-digit code is read from a memory associated with the operating tool,
- The same pseudo-random generator assigned to the operating tool generates the same pseudorandom number for the operating tool as a network key,
- Between the operating tool and the at least one field device, data is transmitted via a radio link secured by the generated network key.
Unter Pseudozufallszahlen werden Zahlen verstanden, die unsystematisch und wie zufällig erscheinen, die jedoch reproduzierbar immer die gleichen Werte aufweisen. Ein Netzwerkschlüssel, der z.B. mindestens 12 Stellen aufweist, ist hackersicher. Ggf. wird die ermittelte Pseudozufallszahl umgewandelt in eine Zeichenkette, bestehend aus numerischen und alphanumerischen Zeichen.Pseudo-random numbers are understood to be numbers that appear unsystematic and random, but which reproducibly always have the same values. A network key, e.g. has at least 12 points, is hacker safe. Possibly. the determined pseudo-random number is converted into a character string consisting of numeric and alphanumeric characters.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass infolge der reduzierten Anzahl von einzugebenden Ziffern des Codes ein Funknetzwerk wesentlich schneller und sicherer in Betrieb genommen werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass ein Anwender den vielstelligen Freischaltcode, der den Zugriff auf das Netzwerk gestattet, nicht kennt. Der Netzwerkschlüssel bleibt geheim und kann weder versehentlich noch bewusst in falsche Hände gelangen.A significant advantage of the invention is the fact that due to the reduced number of digits of the code to enter a wireless network can be taken much faster and safer in operation. Another advantage of the method according to the invention is the fact that a user does not know the multi-digit activation code that allows access to the network. The network key remains secret and can not accidentally or deliberately fall into the wrong hands.
Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass zusätzlich zu dem zumindest vierstelligen Code ein Startwert für den Pseudozufallsgenerator vorgegeben ist oder dass der Startwert durch die Bedienperson frei wählbar eingegeben wird. Dieser Startwert führt dazu, dass zu dem zumindest 4-stelligen Code abweichende Pseudozufallszahlenreihen vom gleichen Algorithmus erzeugt werden.In order to further increase safety, an advantageous further development of the method according to the invention provides that in addition to the at least four-digit code, a starting value for the pseudo-random generator is specified or that the starting value is entered freely selectable by the operator. This start value causes pseudorandom number series deviating from the at least 4-digit code to be generated by the same algorithm.
Bevorzugt wird als Pseudozufallsgenerator für den Netzwerkschlüssel ein Algorithmus gewählt wird, der iterativ n-mal durchlaufen wird, bis der Code mit der Anzahl der gewünschten Stellen erzeugt ist.Preferably, an algorithm is selected as the pseudo-random generator for the network key, which is iteratively traversed n times until the code with the number of desired digits is generated.
Handelt es sich bei dem Bedientool um ein internetfähiges Gerät, z.B. ein Smart-Phone, einen Laptop oder auch ein internetfähiges Edge Device, so ist vorgesehen, dass der Pseudozufallsgenerator als App oder als Bestandteil einer App in das Bedientool geladen wird.If the control tool is an Internet-enabled device, e.g. a smart phone, a laptop or even an internet-enabled edge device, it is provided that the pseudo-random generator is loaded as an app or as part of an app in the operating tool.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung weist zumindest ein Edge Device und eine Vielzahl von Feldgeräten zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße in der Automatisierungstechnik auf. Das Edge Device sammelt Information über die auf einem Netzwerk der Feldebene ausgetauschten Daten und setzt das in dem Netzwerk der Feldebene genutzte Übertragungsprotokoll auf das in einem Netzwerk auf der Steuerungs- oder Bedienebene genutzte Übertragungsprotokoll um. Beispielsweise handelt es sich bei dem Übertragungsprotokoll, das zwischen den Feldgeräten auf der Feldebene genutzt wird, um das WirelessHART-Protokoll, während auf der Steuerungs- und Bedienebene z.B. als Übertragungsprotokoll ein Internetprotokoll verwendet wird.A device suitable for carrying out the method according to the invention has at least one edge device and a multiplicity of field devices for determining and / or monitoring at least one process variable in automation technology. The Edge Device collects information about the data exchanged on a field-level network and translates the transmission protocol used in the field-level network to the transmission protocol used in a network at the control or operating level. For example, the transmission protocol used between the field devices at the field level is the WirelessHART protocol, while at the control and operation level, e.g. as transmission protocol an internet protocol is used.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, -
2 : ein Flussdiagramm, das die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, und -
3 : eine Skizze, die zeigt, wie erfindungsgemäß der sichere Netzwerkschlüssel erzeugt wird.
-
1 : a schematic representation of a device which is suitable for carrying out the method according to the invention, -
2 FIG. 2 is a flowchart showing the individual method steps of the method according to the invention, and FIG -
3 : a sketch showing how the secure network key is generated according to the invention.
Das Programm wird unter dem Programmpunkt
Bei dem Bedientool
Die Skizze in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1:1:
- Feldgerätfield device
- 2:2:
- Bedientooloperating tool
- 3:3:
- erste Eingabeeinheitfirst input unit
- 4:4:
- Pseudozufallsgeneratorpseudo-random generator
- 5:5:
- Zweite EingabeeinheitSecond input unit
- 6:6:
- SpeicherStorage
- 7:7:
- Übergeordnete SteuereinheitParent control unit
- 8:8th:
- Edge Device Edge device
- 10-14:10-14:
- Programmpunkte program points
- Z:Z:
- Codecode
- K:K:
- Schlüsselkey
- S:S:
- Initialwertinitial value
- PZ:PZ:
- Algorithmusalgorithm
Claims (7)
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DE102017128421.4A DE102017128421A1 (en) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Method for the secure exchange of data by radio in automation technology |
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Wikipedia-Eintrag zu „Key derivation function", Version vom 24.November 2017. URL: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Key_derivation_function&oldid=811868318 * |
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