基于OpenSSL的信息安全RTU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著信息化程度的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全通信越來(lái)越受到重視，文中給出了一種基于OpenSSL的信息安全RTU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先介紹了SSL和OpenSSL，然后給出了基于OpenSSL的信息安全RTU的總體設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合自身項(xiàng)目，詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，該RTU可以達(dá)到相對(duì)較高的安全通信要求。

關(guān)鍵字：OpenSSL；嵌入式系統(tǒng)；RTU；安全

1        引言

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷深入，特別是信息化與工業(yè)化深度融合及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，許多嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備諸如RTU正被一批批的開發(fā)出來(lái)。

RTU英文全稱Remote Terminal Unit，中文全稱為遠(yuǎn)程終端單元，通過(guò)自身的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的遙測(cè)、遙控、遙調(diào)和遙信等功能；是組成工業(yè)控制數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的細(xì)胞單元，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，具備快速的響應(yīng)能力、開放式的通信協(xié)議和平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化RTU已經(jīng)成為目前市場(chǎng)上的主流工業(yè)控制產(chǎn)品之一，而安全性一直是通信網(wǎng)絡(luò)中最大的問(wèn)題之一。目前在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的RTU控制器與SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）組態(tài)軟件之間一般采用明文方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這種開放式的通信方式存在重大的安全隱患，即傳輸?shù)耐ㄓ崍?bào)文非常容易被第三方監(jiān)聽、截取和偽造，一旦發(fā)生這種情況，對(duì)生產(chǎn)效益將會(huì)產(chǎn)生不可估量的損失。世界范圍內(nèi)繼“震網(wǎng)”病毒事件后又接連發(fā)生的幾起重大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全事件，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全推向了一個(gè)新的高度。如何防微杜漸，防止工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件的再次發(fā)生，在重點(diǎn)能源企業(yè)構(gòu)筑安全的工業(yè)控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為政府和企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

信息安全型RTU控制器不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集及處理功能，同時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸前進(jìn)行加密，拒絕那些來(lái)自未授權(quán)用戶的訪問(wèn)，從而有效杜絕由于信息泄露或非法侵入導(dǎo)致的工業(yè)安全隱患。

圖1-1 信息安全RTU與傳統(tǒng)RTU對(duì)比圖

目前密碼編碼算法按秘鑰使用方法分為對(duì)稱密碼算法和非對(duì)稱密碼算法，以及不需要秘鑰的信息摘要算法，要實(shí)現(xiàn)這些算法及相應(yīng)的協(xié)議，工作量是非常巨大的，作為工程實(shí)現(xiàn)，通常采用現(xiàn)存的一些密碼算法軟件包來(lái)實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)。OpenSSL^[1]為開發(fā)密碼安全平臺(tái)提供了豐富的密碼算法接口，可以安全高效的實(shí)現(xiàn)信息安全RTU。文章將討論使用OpenSSL與數(shù)字證書，給出信息安全RTU進(jìn)行遠(yuǎn)程安全通信的總體設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹信息安全RTU的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2        SSL與OpenSSL

1    

2    

2.1   SSL協(xié)議

SSL協(xié)議^[1]，即 安全套接層 ( Secure Sockets Layer) 協(xié)議，是 Netscape公司推出的為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的通信提供認(rèn)證、數(shù)據(jù)保密和數(shù)據(jù)完整性服務(wù)的一種安全通信協(xié)議。 SSL協(xié)議建立在可靠的TCP 傳輸控制協(xié)議之上，在網(wǎng)絡(luò)模型中位于應(yīng)用層和傳輸層之間，并且與上層協(xié)議無(wú)關(guān)，各種應(yīng)用層協(xié)議( 如HTTP，F(xiàn)TP，TELNET 等) 都能通過(guò) SSL 協(xié)議進(jìn)行透明傳輸。SSL 協(xié)議分為握手協(xié)議和記錄協(xié)議，握手協(xié)議是指在數(shù)據(jù)傳輸前，服務(wù)器與客戶端進(jìn)行身份鑒別，同時(shí)協(xié)商決定采用的協(xié)議版本、加密算法等。每次連接，握手協(xié)議都要建立一個(gè)會(huì)話，且每次握手中產(chǎn)生的對(duì)稱秘鑰都是獨(dú)特的，這種每次更換秘鑰的方法在更大程度上保證了通信的安全性。記錄協(xié)議是指對(duì)要傳輸?shù)男畔⒂脜f(xié)商好的對(duì)稱秘鑰加密后，再通過(guò)TCP/IP的連接將信息發(fā)送出去。

SSL協(xié)議提供的安全連接具有以下三個(gè)基本特點(diǎn)^[2-3]：

(1)  連接是保密的：對(duì)于每個(gè)連接都有一個(gè)唯一的會(huì)話密鑰，采用對(duì)稱密碼體制( 如 DES、RC4等) 來(lái)加密數(shù)據(jù)。

(2)  連接是可靠的：消息的傳輸采用 MAC 算法( 如MD5、SHA 等) 進(jìn)行完整性檢驗(yàn)。

(3)  雙方是可信任的：對(duì)端實(shí)體的鑒別采用非對(duì)稱密碼體制( 如 RSA、DSS 等) 進(jìn)行認(rèn)證。

2.2   OpenSSL

OpenSSL是一個(gè)健全的、全開放的和開放源代碼的軟件包，最早由Eric A. Yang和Tim J.Hudson開發(fā)；到目前為止，OpenSSL已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全套接層SSLV2.0/ V3.0和傳輸安全協(xié)議TLS V1.0的支持^[4]。與其它的一些同類型密碼庫(kù)（如Crypto++、Crypto API等）相比，OpenSSL具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)  采用C語(yǔ)言開發(fā)，支持多種操作系統(tǒng)（Linux、BSD、Windows、Mac、VMS等），可移植性好。

(2)  功能全面，密碼庫(kù)支持的密碼算法豐富，如對(duì)稱密碼算法：AES、DES、CAST、IDEA、RC4等；非對(duì)稱密碼算法：DH算法、RSA算法、DSA算法和橢圓曲線算法；信息摘要算法：MD2、MD5、SHA-1和RIPEMD；另外，OpenSSL軟件包還提供了豐富的秘鑰和證書管理功能以及用來(lái)進(jìn)行加密模塊擴(kuò)展的引擎機(jī)制。

(3)  OpenSSL提供了CA等用于生成各種X.509證書（網(wǎng)絡(luò)通信中標(biāo)志服務(wù)方實(shí)體的身份，含有服務(wù)方的公開秘鑰）、秘鑰文件的命令，方便程序的編寫和調(diào)試。

(4)  源代碼開放，能夠根據(jù)自己的需要選擇不同的軟件版本進(jìn)行修改和移植。

3        基于OpenSSL的信息安全RTU的總體設(shè)計(jì)

3    

3.1   信息安全RTU硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖3-1 信息安全RTU核板框圖

本文采用的系統(tǒng)硬件平臺(tái)是由北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司自主研發(fā)的一款RTU產(chǎn)品，分為核板和底板兩個(gè)部分。核板采用Atmel AT91SAM9X25為微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的內(nèi)核電源芯片和外部看門狗復(fù)位芯片來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，CPU主頻為400MHz，采用128M的DDR2作為內(nèi)存設(shè)備，RTU的Flash存儲(chǔ)為128M的Nand Flash，RTU核板資源框圖如圖3-1所示。

底板接口和資源方面：1路10/100M以太網(wǎng)RJ-45接口，4路串行接口，1路CAN接口，1路ZigBee無(wú)線接口，8路AI和DI接口，4路AO和DO接口等。RTU底板接口及資源框圖如圖3-2所示。

圖3-2 信息安全RTU底板接口及資源框圖

除上述通用資源外，信息安全RTU采用硬件引擎加密機(jī)制（一種替換掉OpenSSL的底層加密模塊的加密機(jī)制）^[5]，如3-2圖所示，硬件加密模塊采用工業(yè)級(jí)帶有安全主控芯片的SD卡。加密芯片高速數(shù)據(jù)總線接口，除了支持國(guó)際通用加密算法AES、DES、RSA、SHA外，還支持SM2算法，這就在保證數(shù)據(jù)吞吐率的同時(shí)增強(qiáng)信息加密的強(qiáng)度和靈活性。

3.2   基于OpenSSL的信息安全RTU的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)安全信息傳輸系統(tǒng)包括三個(gè)部分：服務(wù)端，由基于OpenSSL的信息安全RTU充當(dāng)；客戶端，由安裝SCADA軟件的電腦充當(dāng)；加密機(jī)代理，由安裝Linux系統(tǒng)的加密機(jī)充當(dāng)。整個(gè)加密系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-3所示：

圖3-3 安全信息傳輸系統(tǒng)組成圖

在整個(gè)安全信息傳輸系統(tǒng)中，信息安全RTU和加密機(jī)之間采用的是SSL安全連接的信息傳輸，而SCADA客戶端與加密機(jī)之間采用的是直連，這是因?yàn)镽TU與加密機(jī)之間的信息處于公網(wǎng)內(nèi)，明文傳輸容易被第三方惡意監(jiān)聽、截取和偽造，加密機(jī)與SCADA系統(tǒng)處于公司內(nèi)網(wǎng)中，安全性得到保證。

該系統(tǒng)中，信息安全RTU主要實(shí)現(xiàn)加密機(jī)代理的身份認(rèn)證、與代理的信息傳輸、和底層數(shù)據(jù)的采集，其中加密機(jī)的身份認(rèn)證和與加密機(jī)的信息交互為信息安全RTU實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。

基于OpenSSL的信息安全RTU的軟件結(jié)構(gòu)分為以下四個(gè)層次：

(1)    引導(dǎo)加載程序Bootloader

Bootloader是嵌入式系統(tǒng)在上電后執(zhí)行的第一段代碼，這段程序在完成CPU和相關(guān)硬件的初始化后，再將操作系統(tǒng)映像拷貝到內(nèi)存中然后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)所在的空間，啟動(dòng)操作系統(tǒng)，本文采用的是bootstrap+uboot作為第一層引導(dǎo)加載程序。

(2)    經(jīng)剪裁、移植的Linux內(nèi)核

Linux內(nèi)核包含著所有操作系統(tǒng)的核心功能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，是Linux操作系統(tǒng)的心臟，本文設(shè)計(jì)的信息安全RTU采用的是經(jīng)剪裁的2.6.39版本的Linux內(nèi)核。

(3)    文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)包括根文件系統(tǒng)和建立于Flash設(shè)備上的文件系統(tǒng)。嵌入式Linux啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)掛載的是根文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)中包含了特定的目錄下不同名稱、不同用途的文件。

(4)    用戶應(yīng)用程序

用戶自己開發(fā)的運(yùn)行于嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上的計(jì)算機(jī)程序，包括自定義協(xié)議棧、web服務(wù)器等。信息安全RTU開發(fā)的應(yīng)用程序包括基于OpenSSL的服務(wù)端與加密機(jī)通信程序、本地模擬量與數(shù)字量采集控制程序、串口Modbus程序等。

上述4個(gè)層次中，前3個(gè)是信息安全RTU平臺(tái)的搭建，第4個(gè)層次是基于OpenSSL的信息安全RTU功能實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。

4        OpenSSL握手、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)系統(tǒng)中，信息安全RTU與加密機(jī)代理的通信流程如圖4-1所示，其中步驟1-13為SSL的握手階段，完成代理與服務(wù)端的雙向認(rèn)證、加密算法的協(xié)商、秘鑰的確定。這13條消息可以分為4個(gè)階段：

第1階段是加密機(jī)代理向信息安全RTU服務(wù)端發(fā)送一個(gè)連接請(qǐng)求Client Hello，其中包含了加密機(jī)的SSL協(xié)議版本號(hào)、隨機(jī)數(shù)key和準(zhǔn)備使用的加密算法。

第2階段是RTU服務(wù)端收到加密機(jī)代理的連接請(qǐng)求后向代理發(fā)送自己的SSL協(xié)議版本號(hào)、加密算法的種類，隨機(jī)數(shù)key，自身SD卡硬件證書以及代理的證書請(qǐng)求。

第3階段是代理收到服務(wù)端發(fā)送的信息后，會(huì)驗(yàn)證服務(wù)端的合法性，包括：證書是否過(guò)期、發(fā)行服務(wù)器證書的CA是否可靠、服務(wù)器證書上的域名是否和服務(wù)器的實(shí)際域名相匹配等。如果合法性驗(yàn)證沒(méi)有通過(guò)，通訊將斷開，如果合法性驗(yàn)證通過(guò)，加密機(jī)代理會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱秘鑰key，并用提取的服務(wù)器公鑰對(duì)其進(jìn)行加密，然后產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并數(shù)字簽名，最后將簽名的隨機(jī)數(shù)、代理自己的證書和加密的對(duì)稱秘鑰key發(fā)給服務(wù)器，并向服務(wù)端發(fā)出信息，指明后面的數(shù)據(jù)通訊將采用該對(duì)稱秘鑰作為通信秘鑰，同時(shí)通知服務(wù)端代理握手過(guò)程結(jié)束。

第4階段信息安全RTU服務(wù)端對(duì)代理發(fā)送來(lái)的證書和簽名隨機(jī)數(shù)進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，如果檢測(cè)沒(méi)有通過(guò)，通訊立即中斷，如果驗(yàn)證通過(guò)，服務(wù)端用私鑰解密代理發(fā)送來(lái)的對(duì)稱秘鑰，并向代理發(fā)送信息，指明后面的數(shù)據(jù)通訊使用該對(duì)稱秘鑰，同時(shí)通知代理服務(wù)端握手過(guò)程結(jié)束。

圖4-1 信息安全RTU與加密機(jī)代理通信流程圖

握手過(guò)程結(jié)束后，加密機(jī)代理與信息安全RTU端將進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸，直至此次通話結(jié)束。

基于OpenSSL的信息安全RTU為實(shí)現(xiàn)SSL通信軟件各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)及關(guān)系如圖4-2所示，信息安全RTU服務(wù)端在接收到加密機(jī)代理的請(qǐng)求后，會(huì)判斷該請(qǐng)求是否為已連接且為未斷開的請(qǐng)求，如果是，則啟用會(huì)話重用模塊，而不需要重新握手建立連接，這種方式會(huì)節(jié)省不必要的開銷，提高通訊效率；如果該請(qǐng)求是新的連接請(qǐng)求，則需要建立SSL連接。

圖4-2 基于OpenSSL的信息安全RTU的SSL通信中各模塊關(guān)系圖

SSL連接過(guò)程需要用到三個(gè)模塊：SSL初始化模塊、SSL連接模塊和SSL身份驗(yàn)證模塊；SSL密碼組控制模塊用于RTU與加密機(jī)通信密碼的選擇與控制，加密機(jī)代理可以通過(guò)修改密碼來(lái)保證通信的安全；SSL通信模塊用于RTU與加密機(jī)建立SSL連接后雙方的數(shù)據(jù)傳輸。下面詳細(xì)介紹SSL初始化、SSL接收連接和數(shù)據(jù)傳輸。

1)       SSL初始化

首先要初始化OpenSSL的函數(shù)庫(kù)，通過(guò)函數(shù)SSL_library_init()來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后調(diào)用SSL_load_error_string()函數(shù)，可以將錯(cuò)誤碼轉(zhuǎn)換成字符串。

接著創(chuàng)建SSL上下文， 信息安全RTU采用的是硬件引擎加密機(jī)制，首先要初始化硬件加密模塊，通過(guò)調(diào)用ENGINE_load_sdkey()函數(shù)實(shí)現(xiàn)這一功能，該函數(shù)中會(huì)完成硬件加密模塊SD卡中的加解密算法庫(kù)替換OpenSSL中的軟加解密算法庫(kù)等一系列工作。然后調(diào)用SSL_METHOD *meth=SSLv23_server_method()函數(shù)用來(lái)初始化SSL支持的版本；SSL_CTX *ctx=SSL_CTX_new(meth)函數(shù)用來(lái)創(chuàng)建SSL_CTX數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體主要用于準(zhǔn)備SSL握手前的環(huán)境，包括CA證書、服務(wù)端的證書、私鑰、協(xié)議版本號(hào)等，然后通過(guò)調(diào)用各功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化。

上文提到，RTU服務(wù)端需要認(rèn)證加密機(jī)代理，所以需要加入請(qǐng)求代理認(rèn)證的內(nèi)容，調(diào)用函數(shù)SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER | SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT, NULL)實(shí)現(xiàn)，參數(shù)SSL_VERIFY_PEER需要進(jìn)行代理認(rèn)證，SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT表示如果客戶端不提交證書則SSL連接過(guò)程立刻終止。

2)       SSL接受連接

RTU端在收到加密機(jī)代理發(fā)出的連接請(qǐng)求后，RTU端就會(huì)創(chuàng)建SSL對(duì)象來(lái)對(duì)應(yīng)一條SSL連接，SSL對(duì)象并不是直接附加到套接字上，而是通過(guò)中間層BIO對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的^[6]；SSL對(duì)象附加到BIO對(duì)象上，然后BIO對(duì)象實(shí)現(xiàn)與套接字實(shí)現(xiàn)通信。這樣使得SSL對(duì)象的實(shí)現(xiàn)不僅局限于網(wǎng)絡(luò)套接字，還可以用于實(shí)現(xiàn)串口等。信息安全RTU中實(shí)現(xiàn)方法為：ssl = SSL_new(ctx)，創(chuàng)建SSL對(duì)象；SSL_set_fd(ssl, ucSocket)實(shí)現(xiàn)SSL對(duì)象與BIO對(duì)象以及BIO對(duì)象與套接字的綁定；err = SSL_accept(ssl)實(shí)現(xiàn)與代理的握手過(guò)程，包括雙方的互相認(rèn)證、秘鑰的協(xié)商等，如果握手成功，返回1，SSL連接成功建立成功，可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果失敗，可以通過(guò)檢查返回值來(lái)確定連接錯(cuò)誤的原因。

信息安全RTU端與加密機(jī)代理的SSL連接建立成功后，SSL對(duì)象和套接字作為一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存到會(huì)話重用模塊中，只要SSL連接不中斷，RTU與加密機(jī)通信都是通過(guò)調(diào)用會(huì)話重用模塊進(jìn)行通信的。

3)       數(shù)據(jù)傳輸

信息安全RTU與加密機(jī)代理通信交互時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)用函數(shù)SSL_write(ssl,buffer, length)，接收函數(shù)用函數(shù)SSL_read(ssl, buffer, length)，與系統(tǒng)函數(shù)read和write基本一致，只是第一個(gè)參數(shù)變?yōu)镾SL對(duì)象。

最后，通信完成后，要終止SSL連接，釋放資源，調(diào)用SSL_free(ssl)來(lái)釋放SSL對(duì)象，調(diào)用SSL_CTX_free (ctx)來(lái)釋放CTX環(huán)境對(duì)象。

5        總結(jié)

本文從發(fā)展迅速的信息化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，討論了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中RTU在通信中存在的安全隱患，為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OpenSSL的信息安全RTU，并詳細(xì)介紹了該RTU的總體設(shè)計(jì)方案及OpenSSL握手、數(shù)據(jù)通信的具體實(shí)現(xiàn)，文中設(shè)計(jì)的這款信息安全RTU適用于需要安全通信的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]    Bruce Schneider. 應(yīng)用密碼學(xué)[ M ] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2000

[2]    W.Chou.Accelerating securetransactions.IT Professional,2003,2:37

[3]    Nachiketh, Potlapally,S Ravi.AStudy of the Energy Consumption Characteristics of Cryptographic Algorithms andSecurity Protocols. IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTION, 2006, 5(2):128

[4]    Dierks T, Allen C. The TLSProtocol Version 1.0[S] IET FRFC2246, 1999.

[5]    齊洪喜，周大水 . 基于 OpenSSL 的安全密碼平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(2)：314-315，319.

[6]    Rescorla E. SSL與TLS Designing and Building Secure Systems[M] . 崔凱譯北京:中國(guó)電力出版社, 2002