CN105827408A - 一种基于时间戳技术的工业网络安全传输方法 - Google Patents

一种基于时间戳技术的工业网络安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，属于安全传输技术领域；包括发送端加密和接收端解密；加密：提取本地时间生成时间字符串，将要发送的数据或指令加入时间字符串；用加密算法加密生成密文后，再次加入用户密钥对密文进行2次加密生成最后密文；将时间字符串和最后密文一同发送；解密：收到密文和时间戳后验证其是否过时或伪造，如是就丢弃；否，则把可能的指令或数据按照与发送端一样的加密方式对其进行匹配，匹配成功，则解密成功；匹配不成功则继续，直到匹配所有数据或指令后均不成功，便丢弃。本发明方法能够达到防止恶意伪造数据欺骗，使嗅探得到的真实数据无法再次利用的目的，且简单、实用、高效、对硬件要求低。

Description

一种基于时间戳技术的工业网络安全传输方法
技术领域：
本发明涉及工业数据安全传输技术，特别涉及一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，属于安全传输技术领域。
背景技术
数据和指令的安全传输一直是个备受关注的问题，数据在传输过程中如果以明文传输，被截获后易被恶意利用；而采用加密方式传输被嗅探后易造成黑客重复利用该数据达到伪造发送的目的；采用安全协议或者复杂加密方式往往成本过高，或者效率低。因此，数据的安全传输一直是人们致力解决的难题，尤其是对于工业控制等领域数据量小而控制指令的正确识别与实施却关系重大，因此迫切需要一个切实可行、成本低、安全性高的数据传输手段。
发明内容
本发明方法的目的是为了解决数据或指令安全传输的问题，提出了一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，该方法具有安全，高效，低成本和可多点传输的特点。
为了达到上述目的，本发明提供了传输过程中加入时间戳技术的方法，该方法包括两个过程：发送端加密阶段和接收端解密阶段。
在发送端发送前，发送端提取本地时间，生成时间字符串，将要发送的数据或指令，按照一定的算法，加入到时间字符串中；并用现有安全加密算法加密，生成密文后，再次按照一定的算法加入用户自定义密钥，然后对密文进行2次加密生成最后密文；然后，发送端将时间字符串和最后的密文采用现有传输方式一同发送给接收端。
接收端在接收到密文和时间戳后，验证数据是否过时，或者是否是伪造，如果是就丢弃；否则，接收端把可能的指令或数据按照与发送端一样的加密方式和算法对数据或指令进行匹配，匹配成功，则接收数据或执行指令；匹配不成功则继续匹配，直到匹配所有数据或指令后均不成功，便认定为错误数据，并丢弃该数据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，该方法包括两个阶段：发送端发送数据前加密过程和接收端接收数据前的解密过程。
所述发送端发送数据包括如下步骤：
步骤1：发送端提取本地时间T1，生成时间字符串A；
步骤1：发送端提取本地时间T1，生成时间字符串A；
步骤2：将要发送的数据或指令B，按照一定的算法，加入到时间字符串A中；然后采用安全加密算法加密，生成密文C后，再次按照一定的算法加入用户自定义密钥D后采用安全加密算法进行2次加密生成最后密文E；
步骤3：发送端发送时间戳T1和密文E；
所述接收端接收数据包括如下步骤：
步骤1：接收端接收到密文E和时间戳T1，验证T1时效，如过期，则丢弃该数据，返回步骤1等待接收下一条数据；否则，转步骤2；
作为优选，所述验证T1时效，是将其与本地时间T2进行比较，如果二者时间差超出预设过期时间间隔T3，则认定为过期数据；
步骤2：根据T1核对是否是近期重复接收的数据，如是，则丢弃该数据，转到步骤1，等待接收下一条数据；否则，转步骤3；
作为优选，所述核对是否是近期重复接收的数据通过在接收端针对发送端设置一个存储近期接收数据的历史库实现，在历史库中仅存放近期接收的发送端发来的数据的时间戳；并当每次执行完步骤1后清除一次过期数据；
步骤3：依次提取发送端可能发送的所有数据，对该数据data以及T1用与发送端相同的算法进行加密计算，并将得到的密文与E比对；
步骤4：如果比对结果相同，则按原接收端使用data方式进行使用，并将该数据作为历史数据保留，然后转到步骤1，等待接收下一条数据；否则，如果还有未进行匹配的数据，则转到步骤3，否则认定该接收数据为错误数据，并丢弃该数据，转到步骤1，等待接收下一条数据。
作为优选，为便于移植，在接收端设置一个数据指令库用来存储发送端可能发送的所有数据。
一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，基于数据发送端和数据接收端，包括数据加密模块和数据解密模块，数据加密模块置于发送端，对待发送数据的明文进行加密处理，并将处理得到的密文通过原数据传输方式进行传输；数据解密模块置于接收端，对接收端接收到的密文进行解密，并将处理得到的明文通过原使用方式进行使用；
所述数据加密模块包括依次连接的时间戳提取单元，一次数据加密单元，二次数据加密单元和数据合成单元；时间戳提取单元用于提取本地当前时间并生成字符串输出；一次数据加密单元用于对输入的明文数据按照预设的算法与时间字符串合成后，采用预设的加密算法进行加密得到一次加密密文后输出；二次数据加密单元用于采用预设的算法将密钥与一次加密密文按照预设的算法进行合成后，采用预设的加密算法进行加密得到二次加密密文后输出；数据合成单元用于将时间字符串与二次加密密文合并后通过发送端原数据传输方式进行传输；
所述数据解密模块包括依次相连的时效判断单元、重复数据判断单元以及数据匹配单元；时效判断单元用于判断输入数据是否为近期数据，如是，则输出输入数据，否则退出；重复数据判断单元用于判断输入数据是否为近期发送的重复数据，如是，则退出，否则输出输入数据；数据匹配单元用于对输入数据采用与所述数据加密模块一致的加密算法对发送端可能发送的数据data依次进行匹配，如果匹配成功，则作为历史数据存储并输出data，否则退出。
作为优选，所述数据匹配单元进一步由与数据核对单元分别相连的所述一次数据加密单元和所述二次数据加密单元组成，数据核对单元用于依次将发送端可能发送的数据data与输入数据的时间戳输出给所述一次数据加密单元并将其反馈的密文数据作为输入数据，输出给所述二次数据加密单元，并将其反馈的密文与输入数据的密文比对，如果相同，则存储并输出data，否则退出。
作为优选，所述数据解密模块还包括用来存储发送端可能发送的所有数据的数据指令库，当所述数据匹配单元进行匹配时，依次从该数据指令库中提取指令。
作为优选，所述数据解密模块还包括用来存储近期接收数据的历史库，其中仅存储近期数据的时间戳，当所述重复数据判断单元判断输入数据是否为近期发送的重复数据时，可以将输入数据的时间戳与该库中数据比对，当所述时效判断单元执行完后即对该库进行检查，删除非近期数据。
作为优选，所述近期数据通过设置一个过期时间间隔T，比较输入数据的时间戳与本地当前时间戳间隔是否超过T实现。
有益效果：
相比安装证书或采用其他特殊安全协议等常规高成本传输手段，本发明方法能够达到防止恶意伪造数据欺骗，使嗅探得到的真实数据无法再次利用的目的。并且，本发明方法简单、实用、高效、对硬件要求低，适用性好，可实现多点同时传输。本发明方法适用于工业控制等控制指令及数据少、方便穷举的领域，特别适用于数据传输量小，成本要求低，安全要求高的网络。
附图说明
图1为本发明实施例中特征信息与密钥的绑定过程流程示意图。
图2为本发明实施例中特征信息与密钥解绑定过程流程示意图。
图3为本发明实施例中数据加密模块组成结构示意图。
图4为本发明实施例中数据解密模块组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式作详细说明。
实施例
本发明主要涉及发送端发送数据和接收端接收数据的方法，且数据发送与接收过程与本地时间紧密相关，因此作为本发明实施的前提，要求发送端和接收端的时间是同步的，当前有关时间同步的装置名目繁多，可以根据实际应用环境采用合适的时间同步方案实现。此外，为便于本发明方法移植，在接收端预设一个数据指令库列表，用来存储发送端可能发送的所有的数据；为提高是否为重复数据的判断效率，针对每个发送端维护一个历史库，用于存储短时间内接收到的发送端发送数据的时间戳。
下面以表1和表2中所示红绿灯交通***的数据指令库和历史库为例说明本发明方法的实施过程：
表1：数据指令库
表2：历史库
20151104160144
20151104160151
20151104160202
20151104160208
……
1)发送端发送数据过程，如图1所示：
步骤1：控制器(发送端)欲发送1指令(表示红灯)，提取本地时间20151104160211，将1指令***2015后面形成201511104160211。本例中，以将控制指令***年与月之间为例，实际应用时，用户可定义将带发送数据按任意规则加入时间戳字符串中。
步骤2：将201511104160211进行第一次md5(消息摘要算法第五版)加密，生成密文211475176114fb916bfa879ee4a56fb0然后根据用户输入密钥的长度去掉密钥的长度加入密钥，这里密钥为casic(用户输入改变其值)进行二次md5加密。把211475176114fb916bfa879ee4acasic进行第二次md5加密生成最后密文49e2c142605c52b8392c793e715e836a。本例中，将密钥替换第一次加密后密文的末尾同等长度的子串，实际应用时，用户可定义按任意规则将密钥与密文合成；使用md5作为安全加密算法，实际使用时，用户可采用满足其安全要求的任何散列函数或加密算法。
步骤3：发送最后密文49e2c142605c52b8392c793e715e836a和时间戳20151104160211。
2)接收端接收数据过程，如图2所示：
步骤1：接收端接收到时间戳和密文，把时间戳与本地时间对比，如果二者超出时间t间隔，丢弃掉该数据；如果没超出时间t间隔，清除本地时间间隔大于时间t间隔的历史库保存的数据，然后进行下一步。
步骤2：把时间戳与历史库里保存的时间戳对比，如有重复丢掉该数据，防止嗅探得到的伪指令的重复发送，干扰***，然后转回步骤1继续接收数据。否则，进行下一步；
步骤3：依次提取本地预存的数据指令库中保存的所有数据进行如下匹配操作：
(1)：接收端把数据3加入到时间戳第5位形成201531104160211，进行md5加密生成密文817c9c52827ea7eb92fa2e693c1f5e25。去掉后5位加入casic进行第二次md5加密，生成密文7af6482a378aaf76b8e915a8fc34205d，与传输过来的密文对比发现与密文不符合。重新进行下一条数据的匹配。
(2)：接收端把数据2加入到时间戳第5位形成201521104160211，进行md5加密生成密文221449fa24df25676e7e340b28d3f252。去掉后5位加入casic进行第二次md5加密，生成密文9a5ccdd85937ecb7315b26a3792c7b26，与传输过来的密文对比发现与密文不符合。重新进行下一条数据的匹配。
(3)：接收端把数据1加入到时间戳第5位形成201511104160211，进行md5加密生成密文211475176114fb916bfa879ee4a56fb0。去掉后5位加入casic进行第二次md5加密，生成密文49e2c142605c52b8392c793e715e836a，与传输过来的密文对比发现与密文相符合，接收端接收指令1，执行红灯指令；然后返回步骤1等待接收下一个指令。至此完成所有步骤。
依据上述本发明方法实施例，实现了一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，基于数据发送端和数据接收端，包括数据加密模块和数据解密模块，数据加密模块置于发送端，对待发送数据的明文进行加密处理，并将处理得到的密文通过原数据传输方式进行传输；数据解密模块置于接收端，对接收端接收到的密文进行解密，并将处理得到的明文通过原使用方式进行使用；
如图3所示，所述数据加密模块包括依次连接的时间戳提取单元，一次数据加密单元，二次数据加密单元和数据合成单元；时间戳提取单元用于提取本地当前时间并生成字符串输出；一次数据加密单元用于对输入的明文数据按照预设的算法与时间字符串合成后，采用预设的加密算法进行加密得到一次加密密文后输出；二次数据加密单元用于采用预设的算法将密钥与一次加密密文按照预设的算法进行合成后，采用预设的加密算法进行加密得到二次加密密文后输出；数据合成单元用于将时间字符串与二次加密密文合并后通过发送端原数据传输方式进行传输。
如图4所示，所述数据解密模块包括依次相连的时效判断单元、重复数据判断单元以及数据匹配单元；时效判断单元用于判断输入数据是否为近期数据，如是，则输出输入数据，否则退出；重复数据判断单元用于判断输入数据是否为近期发送的重复数据，如是，则退出，否则输出输入数据；数据匹配单元用于对输入数据采用与所述数据加密模块一致的加密算法对发送端可能发送的数据data依次进行匹配，如果匹配成功，则作为历史数据存储并输出data，否则退出。
作为优选，所述数据匹配单元进一步由与数据核对单元分别相连的所述一次数据加密单元和所述二次数据加密单元组成，数据核对单元用于依次将发送端可能发送的数据data与输入数据的时间戳输出给所述一次数据加密单元并将其反馈的密文数据作为输入数据，输出给所述二次数据加密单元，并将其反馈的密文与输入数据的密文比对，如果相同，则存储并输出data，否则退出。
作为优选，所述数据解密模块还包括用来存储发送端可能发送的所有数据的数据指令库，当所述数据匹配单元进行匹配时，依次从该数据指令库中提取指令。
作为优选，所述数据解密模块还包括用来存储近期接收数据的历史库，其中仅存储近期数据的时间戳，当所述重复数据判断单元判断输入数据是否为近期发送的重复数据时，可以将输入数据的时间戳与该库中数据比对，当所述时效判断单元执行完后即对该库进行检查，删除非近期数据。
作为优选，所述近期数据通过设置一个预设过期时间间隔T，比较输入数据的时间戳与本地当前时间戳间隔是否超过T实现。
通过以上具体实施例的描述，可以看到，对于攻击者通过嗅探得到的伪指令的发送，如果该数据已超出时效，即数据中的时间戳与当前接收端的时间差超过预设的t时间间隔，将直接予以丢弃；如果该数据为短时间内的重复发送，接收端也将不予理会，由此本发明方法做到了防嗅探攻击；对于攻击者伪造数据的攻击，由于其不了解发送端与接收端约定的数据加解密方式：采用的加密算法、加密密钥、加密数据、数据***位置，从而其难于伪造正确的密文数据，也就不能被接收端成功解密，由此本发明方法做到了防伪造数据攻击。此外，本发明采用的加密算法可以使用当前任一安全级别较高的加密算法，可以进一步降低攻击者解密的可能性，以及发送端和接收端定期更换加密算法、加密密钥以及数据***位置等信息，将更加进一步降低攻击者解密的可能性。由于本发明方法仅仅是一些简单的运算，因而不需要任何额外特殊设备，从而也降低了本发明方法的使用成本。
本发明方法基于时间戳技术，将时间戳与现有加解密技术相结合，然后通过现有数据传输方式传输数据，无需其他复杂要求，适用于各种协议。
综上所述，本发明方法具有使用成本低、效率高、数据传输安全、适用于多点传送的特点。
本发明方法目前已经在航天工业控制领域实施，取得了良好的效果。
为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，包括两个阶段：发送端发送数据前加密过程和接收端接收数据前的解密过程，其特征在于：
所述发送端发送数据包括如下步骤：
步骤1：发送端提取本地时间T1，生成时间字符串A；
步骤2：将要发送的数据或指令B，按照一定的算法，加入到时间字符串A中；然后采用安全加密算法加密，生成密文C后，再次按照一定的算法加入用户自定义密钥D后采用安全加密算法进行2次加密生成最后密文E；
步骤3：发送端发送时间戳T1和密文E；
所述接收端接收数据包括如下步骤：
步骤1：接收端接收到密文E和时间戳T1，验证T1时效，如过期，则丢弃该数据，返回步骤1等待接收下一条数据；否则，转步骤2；
步骤2：根据T1核对是否是近期重复接收的数据，如是，则丢弃该数据，转到步骤1，等待接收下一条数据；否则，转步骤3；
步骤3：依次提取发送端可能发送的所有数据，对该数据data以及T1用与发送端相同的算法进行加密计算，并将得到的密文与E比对；
步骤4：如果比对结果相同，则按原接收端使用data方式进行使用，并将该数据作为历史数据保留，然后转到步骤1，等待接收下一条数据；否则，如果还有未进行匹配的数据，则转到步骤3，否则认定该接收数据为错误数据，并丢弃该数据，转到步骤1，等待接收下一条数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，其特征在于，所述验证T1时效，是将其与本地时间T2进行比较，如果二者时间差超出预设过期时间间隔T3，则认定为过期数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，其特征在于，所述核对是否是近期重复接收的数据通过在接收端针对发送端设置一个存储近期接收数据的历史库实现，在历史库中仅存放近期接收的发送端发来的数据的时间戳；并当每次执行完步骤1后清除一次过期数据。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输方法，其特征在于，为便于移植，在接收端设置一个数据指令库用来存储发送端可能发送的所有数据。
5.一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，基于数据发送端和数据接收端，其特征在于，包括数据加密模块和数据解密模块，数据加密模块置于发送端，对待发送数据的明文进行加密处理，并将处理得到的密文通过原数据传输方式进行传输；数据解密模块置于接收端，对接收端接收到的密文进行解密，并将处理得到的明文通过原使用方式进行使用；
所述数据加密模块包括依次连接的时间戳提取单元，一次数据加密单元，二次数据加密单元和数据合成单元；时间戳提取单元用于提取本地当前时间并生成字符串输出；一次数据加密单元用于对输入的明文数据按照预设的算法与时间字符串合成后，采用预设的加密算法进行加密得到一次加密密文后输出；二次数据加密单元用于采用预设的算法将密钥与一次加密密文按照预设的算法进行合成后，采用预设的加密算法进行加密得到二次加密密文后输出；数据合成单元用于将时间字符串与二次加密密文合并后通过发送端原数据传输方式进行传输。
所述数据解密模块包括依次相连的时效判断单元、重复数据判断单元以及数据匹配单元；时效判断单元用于判断输入数据是否为近期数据，如是，则输出输入数据，否则退出；重复数据判断单元用于判断输入数据是否为近期发送的重复数据，如是，则退出，否则输出输入数据；数据匹配单元用于对输入数据采用与所述数据加密模块一致的加密算法对发送端可能发送的数据data依次进行匹配，如果匹配成功，则作为历史数据存储并输出data，否则退出。
6.根据权利要求5所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，其特征在于，所述数据解密模块还包括用来存储发送端可能发送的所有数据的数据指令库，当所述数据匹配单元进行匹配时，依次从该数据指令库中提取指令。
7.根据权利要求5所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，其特征在于，所述数据解密模块还包括一个用于存储短时间内接收到的发送端发送数据的时间戳历史库，当所述重复数据判断单元判断输入数据是否为近期发送的重复数据时，只要与历史库中的数据进行匹配即可；所述时效判断单元每次判断输入数据是否为近期数据时，对历史库进行更新。
8.根据权利要求5所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，其特征在于，所述数据匹配单元进一步由与数据核对单元分别相连的所述一次数据加密单元和所述二次数据加密单元组成，数据核对单元用于依次将发送端可能发送的数据data与输入数据的时间戳输出给所述一次数据加密单元并将其反馈的密文数据作为输入数据，输出给所述二次数据加密单元，并将其反馈的密文与输入数据的密文比对，如果相同，则存储并输出data，否则退出。
9.根据权利要求5所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，其特征在于，所述近期数据通过设置一个过期时间间隔T，比较输入数据的时间戳与本地当前时间戳间隔是否超过T实现。
10.根据权利要求5-9任一所述的一种基于时间戳技术的工业数据网络安全传输装置，其特征在于，所述近期数据通过设置一个过期时间间隔T，比较输入数据的时间戳与本地当前时间戳间隔是否超过T实现。
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