Обеспечение защиты верхних уровней передачи данных в системах интеллектуального здания

УДК 681.3.045

В.В. Гоннов

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАЩИТЫ ВЕРХНИХ УРОВНЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ*

В настоящее время системы интеллектуальных зданий (ИЗ) приобретают все большую популярность. Данные системы позволяют управлять комплексно различными аспектами функционирования здания, такими как охранная и пожарная сигнализации, микроклимат, освещение и т.д. Однако существуют серьезные проблемы, связанные с безопасностью обмена данными в таких системах. Злонамеренные действия в системе управления ИЗ создают угрозы не только для безопасности информации, но и для имущества и жизни людей. При этом большинство систем управления ИЗ не содержат средств защиты информации. Поэтому особенно актуальной является задача разработки методов защиты данных от несанкционированного просмотра, изменения и удаления. Цель данной работы состоит в разработке защищенных протоколов передачи данных в сетях интеллектуальных зданий и формальной оценке уровня их безопасности.

Системы ИЗ имеют различную архитектуру, которая, в существенной мере, определяет методы их защиты. Наиболее распространенной является архитектура, в рамках которой системы ИЗ содержат несколько уровней взаимодействия, в частности уровень сенсорной сети, уровень сети контроллеров, уровень сети станций. На уровне сенсорной сети оконечным оборудованием являются датчики (сенсоры), которые выполняют регистрацию некоторых физических параметров (температуры, задымления и т.д.), считыватели (смарт-карт, клавиатуры и т.д.) и исполнительные устройства (замки, камеры и т.д.). Протоколы взаимодействия таких устройств чаще всего реализуются их производителем и не могут быть изменены для улучшения безопасности. Примерами протоколов сенсорных сетей для проводных систем являются RS-485, LIN, для беспроводных - ZigBee. Таким образом, на данном уровне взаимодействия необходимо полагаться на средства безопасности, уже заложенные в устройствах. Уровни сети контроллеров и сети станций обеспечивают взаимодействие между программируемыми контроллерными устройствами и персональными компьютерами, выполняющими сбор данных, их хранение и обработку. В данном случае для передачи данных используются такие протоколы, как CAN, а также протоколы на основе TCP/IP. CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, а затем и в других отраслях промышленности. Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных,

* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №07-07-00138-а, №08-07-00117-а.

но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников. Проблема защиты протоколов данного уровня представляется наиболее актуальной.

В качестве примера системы с подобной архитектурой можно привести систему scalaBACS (scalable Building Automation & Control System) фирмы Datamicro. Комплекс ScаlаВАСS представляет собой трехуровневую распределенную сеть:

1. 3-й уровень (серверная сеть) - серверы, рабочие и операторские станции, объединенные Ethernet сетью. Обеспечивает информационное обеспечение комплекса (базы данных, программы конфигурирования и т.д.) в пределах здания или совокупности зданий.

2. 2-й уровень (сеть контроллеров) - контроллеры и пульты, подключаемые по САМ-сети. Обеспечивает связь контроллеров в пределах здания.

3. 1-й уровень (сенсорная сеть) - контроллеры, подключаемые по сенсорным сетям (LIN, RS-485, ZigBee и др.). Обеспечивает связь с датчиками в пределах помещения и/или этажа здания.

На рис. 1 приведена общая схема сети scalaBACS.

Из рисунка видно, что CAN-контроллеры взаимодействуют с серверами на основе ПЭВМ для передачи данных и получения управляющих команд. Взаимодействие осуществляется частично по сети CAN (до шлюза), частично по сети TCP/IP. При этом выдвинем следующие требования к безопасности данного взаимодействия:

1. Взаимная аутентификация контроллеров и серверов.

2. Защита от изменения передаваемых данных. Злоумышленники могут использовать изменение информации и команд контроллеров CAN для несанкционированного открытия дверей (например, в целях хищения), блокирования дверей, включения средств пожаротушения и т.д.

3. Защита от несанкционированного просмотра.

4. Защита от атак типа «man-in-the-middle».

Данные требования могут быть реализованы с использованием криптографических протоколов аутентификации, распределения ключей и криптографической защиты передаваемых данных. Однако одной из особенностей системы является низкая производительность и малый объем памяти контроллеров. Кроме того, обработка данных серверами должна происходить в реальном масштабе времени, что также требует использования не ресурсоемких алгоритмов защиты информации.

Для решения описанных проблем предлагается разработка протоколов аутентификации и защищенной передачи данных, на основе направленной модификации алгоритмов защиты информации, используемых в сетях TCP/IP. С учетом требования 1) и 2) для целей взаимной аутентификации устройств и распределения ключей предлагается использовать протокол аутентификации на основе криптосистемы RSA. Каждый контроллер содержит пару - секретный ключ контроллера Privcnt(i), где i - номер контроллера и открытый ключ сервера Pub serv, сервер системы содержит набор открытых ключей для каждого контроллера [Priv_cnt(1)... Priv cnt(N)], где N - количество контроллеров и собственный секретный ключ Privserv. MD5(.) - примитив вычисления криптографической контрольной суммы, RSAE(.) - примитив шифрования на алгоритме RSA, RSAD(.) -примитив расшифрования на алгоритме RSA. При включении i-го контроллера в сеть выполняется протокол аутентификации, состоящий из четырех этапов.

Бухгалтерия

Отдел кедрое

ЕНмпде м*ршрут*мтор

КЬЄГ*Є< - ТСР/ІР

САН

*

)Г'

с>

— С-/*

»1 Г

Бюро

МтЛ/

ІпМгмі

*$-48$

Блок обработки л

И5-<65 Я5-4Д$/11И цН |

“ГГ I Т I гт

Сенсорные узлы

^ #

Ту| ««кет Лрсжадиая

мвода

Видео г сервер

>

Видеокамеры ^

А чвь*

Шлюз

САН

Ьшшт: \ |

V Типовой веерном блок I

им

©

М-Ч85

Сенсорные упы

р

Рис. 1. Схема системы scalaBACS

Запрос доступности

a. Контроллер генерирует командуMSG=’AVLBL’ и число SALT=rand();

b. PACK=MSG\SALT\MD5(MSG).

c. EPACK=RSAE(PACK, РгіуШ(і)).

d. Пакет EPACK отправляется серверу.

Инициация протокола Диффи-Хеллмана

1. Сервер получает пакет EPACK и определяет номер отправителя і.

2. PACK=RSAD(EPACK, РпЬ_спї(і)).

3. В случае если MSG==’AVLBL’ и MD5(MSG) проверена правильно, сервер генерирует команду MSG= ’KEYNEG’ и число DHHKEY - половину ключа Диффи-Хеллмана.

4. PACK=MSG\DHHKEY\SALT\MD5(MSG);

5. EPACK=RSAE(PACK, Ргіу_8єгу).

6. Пакет EPACK отправляется контроллеру.

Завершение протокола Диффи-Хеллмана

1. Контроллер выполняет PACK=RSAD(EPACK, Pubserv).

2. В случае если MSG==’KEYNEG’, SALT равна отправленной ранее и MD5(MSG) верна контроллер формирует MSG==’KEYNEG’ и число DHLKEY -половину ключа Диффи-Хеллмана.

3. PACK=MSG\DHHKEY\SALT\MD5(MSG);

4. EPACK=RSAE(PACK, Privcnt(i)).

5. Пакет EPACK отправляется серверу.

6. Сервер обеспечивает получение пакета EPACK и определение идентификатора отправителя.

7. PACK=RSAD(EPACK, Pub cnt(i)).

8. Если MSG== KEYNEG ’, SALT равна отправленной ранее и MD5(MSG) верна сервер формирует MSG==’KEYDONE’.

9. PACK=MSG\\SALT\MD5(MSG);

10. EPACK=RSAE(PACK, Privserv).

11. Пакет EPACK отправляется контроллеру.

Формирование общих ключей

1. Контроллер выполняет PACK=RSAD(EPACK, Pub serv).

2. В случае если MSG==’KEYDONE’, SALT равна отправленной ранее и MD5(MSG) верна контроллер получает из DHHKEY и DHLKEY общий ключ SYMKEY.

3. Одновременно сервер получает общий ключ SYMKEY.

После окончания данного протокола контроллер и сервер будут обладать одним общим криптографическим ключом, который может быть использован для защищенной передачи сообщений. Необходимо учитывать, что ключи RSA в данном случае не хранятся и не передаются открыто, поэтому с учетом низкой производительности контроллеров можно снизить длину ключей RSA до 512 бит.

Для шифрования передаваемой информации предлагается использование алгоритма Blowfish. Данный алгоритм прост в реализации, обладает высокой производительностью. Для ускорения шифрования предлагается использовать Blowfish с уменьшенным количеством раундов и укороченным ключом. Исследования показывают, что для передачи оперативной информации достаточно использования алгоритма с четырьмя раундами шифрования и ключом не более 128 бит.

Приведенные протоколы позволяют решить задачи защиты информации, актуальные для систем ИЗ, в частности, защиты взаимодействия между контроллерами и серверами системы scalaBACS. Поскольку к безопасности алгоритмов в таких системах предъявляются высокие требования, следующим этапом работ станет формальный анализ безопасности разработанных протоколов. В качестве средства верификация может быть использован символьный верификатор системы SMV, который ранее использовался для верификации различных критичных по безопасности протоколов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си. - М.: Изд-во ТРИУМФ, 2003. - 816 с.

2. Молдовян Н. А. Криптография: от примитивов к синтезу алгоритмов / Н. А. Молдовян, А. А. Молдовян, М. А. Еремеев. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 448 с.

І58