【摘 要】
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随着TSN协议在工业环境中的不断应用,时间敏感网络在信息泄露、恶意流注入、中间人攻击等方面存在大量的安全问题,在工业现场中的部署和安全研究显得愈发重要,需要一种适用于时间敏感网络的安全机制及密码算法,实现工业现场数据通信过程中的安全。本文通过分析时间敏感网络安全威胁和安全需求,以满足时间敏感网络数据流安全通信为目标,研究基于国密公钥加密算法SM2、国密杂凑算法SM3与国密对称加密算法SM4,设计了
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随着TSN协议在工业环境中的不断应用,时间敏感网络在信息泄露、恶意流注入、中间人攻击等方面存在大量的安全问题,在工业现场中的部署和安全研究显得愈发重要,需要一种适用于时间敏感网络的安全机制及密码算法,实现工业现场数据通信过程中的安全。本文通过分析时间敏感网络安全威胁和安全需求,以满足时间敏感网络数据流安全通信为目标,研究基于国密公钥加密算法SM2、国密杂凑算法SM3与国密对称加密算法SM4,设计了一种基于国密算法的时间敏感网络的安全通信方案。论文主要研究工作如下:1.本文首先对时间敏感网络相关标准以及集中式网络模型进行了研究,分析了时间敏感网络相关接口协议LLDP、SNMP,在深入分析时间敏感网络安全逻辑架构及安全威胁的基础上,设计出一套适用于时间敏感网络的安全框架,为后续安全方案的设计奠定基础。2.设计了一种基于国密公钥加密算法SM2与国密杂凑算法SM3的时间敏感网络身份认证与密钥协商方案,在成功部署时间敏感网络之后,将TSN CNC作为网络管理,TSN交换机作为网络代理,两者之间通过SNMPv3协议进行数据交互,利用国密算法SM3和国密算法SM2进行身份认证,确保其接入网络的设备身份合法性。对认证成功的设备分发会话密钥,并利用国密算法SM3和国密算法SM2生成相应的摘要值及确认信息,实现了从TSN CNC到现场设备的密钥协商。3.在密钥协商的基础上,基于国密杂凑算法SM3与国密对称加密算法SM4,设计了一种时间敏感网络数据流安全通信方案,通过对时间敏感网络数据帧进行消息构造,利用国密对称加密算法SM4对消息进行加解密,利用国密杂凑算法SM3生成消息认证码,保障整个时间敏感网络数据通信过程中的完整性与机密性。4.在实验室自主研发的TSN交换机中实现了本文所提出的安全方案,并搭建时间敏感网络测试验证平台,对本文所提方案进行测试验证。测试结果表明,本方案不仅能很好地实现本文所提出身份认证、密钥协商与安全通信功能,保障时间敏感网络数据通信过程中的机密性、完整性等安全目标,同时在计算开销方面:对时间敏感网络门控调度的影响上,该安全方案相比于MACsec降低了12.66%的平均最短时延;在通信开销方面:加入该安全方案后相比于加入之前仅增加了3.7%的通信开销;在存储开销方面:SM2/SM3算法相比于RSA/SHA-1算法降低了3.91%的存储开销,极大地满足了工业环境下时间敏感网络的安全需求。
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