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1　概述

工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control System，以下簡稱“工控系統(tǒng)”）涉及到電力、能源、交通、石化等國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的各個領(lǐng)域。工控系統(tǒng)所處的網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境日趨嚴(yán)峻，密碼體制作為保障網(wǎng)絡(luò)安全的基石，在工控系統(tǒng)的安全防護(hù)中應(yīng)繼續(xù)扮演核心角色。如何將我國自主可控的密碼體制安全、高效、合理地應(yīng)用到工控系統(tǒng)當(dāng)中，業(yè)已成為維護(hù)我國工控系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)性重大課題。

工控系統(tǒng)的安全防護(hù)較之傳統(tǒng)信息安全難度大大提升。一是工控系統(tǒng)的發(fā)展與信息技術(shù)深度融合，這種融合表現(xiàn)在集成和使用大量資源受限設(shè)備，例如傳感器、可編程邏輯控制器、智能儀表等，使得對安全的關(guān)注主要集中在資源受限設(shè)備或系統(tǒng)上；二是安全技術(shù)在工控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有效性和適配性使得安全防護(hù)難度加大，因?yàn)榘踩夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)除考慮技術(shù)本身的可行和有效外，還需考慮目標(biāo)系統(tǒng)的可靠性、性能等重要指標(biāo)受到安全技術(shù)影響的程度。因而我們將密碼技術(shù)在工控系統(tǒng)中的應(yīng)用需考慮的問題劃分為兩個方面：

（１）密碼側(cè)：密碼技術(shù)在工控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的有效性和適配性問題；

（２）系統(tǒng)側(cè)：密碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對工控系統(tǒng)可靠性和性能指標(biāo)的影響問題。

針對資源受限設(shè)備的密碼應(yīng)用，國際和國內(nèi)目前主要聚焦在輕量級密碼技術(shù)的密碼側(cè)，以及少量系統(tǒng)側(cè)指標(biāo)，如吞吐率等的分析。本文將主要探討輕量級密碼在技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化研究等方面的進(jìn)展情況。

2　聚焦輕量級密碼

2.1　范圍

輕量級密碼是密碼學(xué)的一個分領(lǐng)域，其目標(biāo)是針對資源受限設(shè)備，經(jīng)過定制或裁剪產(chǎn)生的密碼解決方案。資源受限設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域包括：汽車系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療設(shè)備、分布式控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)以及智能電網(wǎng)等。當(dāng)前的傳統(tǒng)加密算法雖然可以通過工程化技術(shù)方法在資源受限設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，但其性能也許是無法接受的。傳統(tǒng)加密算法針對的是PC、服務(wù)器、平板以及智能手機(jī)等，而輕量級密碼則主要針對嵌入式系統(tǒng)、RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。輕量級密碼研究發(fā)展時間簡表如圖1所示。

圖1 輕量級密碼研究發(fā)展時間簡表

2.2　性能度量

對于輕量級密碼算法，其性能度量主要從硬件度量和軟件度量考慮，分為能量消耗、延時、吞吐率三個維度。硬件平臺的性能需求通常用（電路設(shè)計）等效門（Gate Equivalent）來表示，比如已知的緊湊型AES-128算法實(shí)現(xiàn)需要2090-2400個等效門；而軟件應(yīng)用的性能需求則從寄存器數(shù)目、RAM和ROM的字節(jié)數(shù)等來表示。

3　實(shí)現(xiàn)的基本組件（Primitives）

實(shí)現(xiàn)輕量級密碼的基本組件包括分組密碼、散列函數(shù)、消息認(rèn)證碼，以及流密碼。

（1）輕量級分組密碼：目前，一部分輕量級分組密碼是基于原有加密算法，經(jīng)過設(shè)計簡化形成的，如DESL是DES的變體；另一部分是重新開始密碼的新型設(shè)計，如PRESENT、SIMON和SPECK等算法。相較于傳統(tǒng)分組密碼，輕量級分組密碼具有如下優(yōu)點(diǎn)：更小的分組規(guī)模、更小的密鑰規(guī)模操作回合更簡單、更簡單的密鑰、簡化的密鑰調(diào)度、最小化的實(shí)現(xiàn)方式。

（2）輕量級哈希函數(shù)：更小的內(nèi)部狀態(tài)和輸出規(guī)模；更小的消息尺寸；主要的輕量級算法包括PHOTON、QUARK、SPONGENT和Lesamnta-LW等。

（3）輕量級消息認(rèn)證碼：針對消息的認(rèn)證和完整性特點(diǎn)，Chaskey、TuLP、LightMAC等算法。

（4）輕量級流密碼：主要包括Grain、Trivium和Mickey等。

4　技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

美國NIST從2013年開始啟動輕量級密碼研究項目，但這并不代表該領(lǐng)域的研究以此為開端。事實(shí)上，對輕量級密碼的研究可分為技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化研究這兩大部分。

技術(shù)研究是根據(jù)密碼算法在具體應(yīng)用領(lǐng)域的具體需求而進(jìn)行，以目前所了解的范圍來看，最早可追溯到1994年Needham等人的Tiny Encryption Algorithm（TEA）研究，它是一種描述簡潔、實(shí)現(xiàn)簡單的分組加密算法，因而在不同應(yīng)用領(lǐng)域和場景上，尤其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，輕量級密碼算法一直是各種應(yīng)用的重要需求之一。輕量級密碼在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)上分別使用GE等效門和RAM/ROM字節(jié)數(shù)作為評估指標(biāo)。較為全面的對比可參考Manifavas等人在2014年所做的分析研究，其對包括AES、SPECK、DESL在內(nèi)的37種密碼算法的輕量級硬件實(shí)現(xiàn)和包括PRESENT、IDEA、DESX等在內(nèi)的26種軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)對比分析。

最新輕量級密碼技術(shù)研究成果可參考?xì)W盟ECRYPT項目的四個Workshop，包括LightSec,RFIDsec，Lightweight Crypto Day，以及美國NIST在2015年和2016年舉辦的兩次LightweightCryptography Workshop。

標(biāo)準(zhǔn)化研究是對輕量級密碼算法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立項，根據(jù)算法的功能、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用環(huán)境等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)研制，這方面在NIST之前，主要有IEC和日本“密碼研究和評估委員會”（Cryptography Research andEvaluation Committees，CRYPTREC）在進(jìn)行相關(guān)工作。具體為：

（1）IEC/ISO 29192《輕量級密碼》標(biāo)準(zhǔn)系列：首次發(fā)布為2012年，包含6個部分，算法目標(biāo)覆蓋機(jī)密性、認(rèn)證、鑒別、抗抵賴性以及密鑰交換；

（2）IEC/ISO 29167《自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)》標(biāo)準(zhǔn)系列：首次發(fā)布為2012年，目前為止該標(biāo)準(zhǔn)共包含19個部分，其中第1部分描述了RFID設(shè)備的安全架構(gòu)需求，并在其余各部分中，分別具體定義了包括AES、PRESENT、ECC-DH在內(nèi)的無線/射頻空中接口通信密碼技術(shù)；

（3）日本CRYPTREC于2013年成立輕量級密碼工作組，致力于研究和支持其電子政務(wù)及任何需要輕量級密碼的應(yīng)用，該工作組于2015年發(fā)布了關(guān)于輕量級密碼的調(diào)查報告，其中對AES、Camellia、CLEFIA、PRESENT等算法及其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時對這些算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)評估。

4.1　NIST輕量級密碼項目

2013年美國NIST對輕量級密碼的標(biāo)準(zhǔn)化研究立項，意在征集輕量級密碼算法和輕量級密碼評估制標(biāo)。項目目的體現(xiàn)在以下方面：

（1）了解真實(shí)世界的應(yīng)用需求和特征；

（2）了解NIST已批準(zhǔn)的算法究竟在哪些地方、應(yīng)用上出現(xiàn)不足；

（3）政產(chǎn)學(xué)三者結(jié)合；

（4）規(guī)劃輕量級密碼部件的未來標(biāo)準(zhǔn)。

項目在輕量級密碼的設(shè)計上提出如下7點(diǎn)考慮：安全強(qiáng)度、靈活性、多重功能下的低開銷、密文擴(kuò)展、側(cè)信道、明文-密文對的數(shù)量限制、相關(guān)密鑰攻擊。

NIST對項目征集的輕量級密碼算法進(jìn)行評估和推薦。評估的考察框架針對目標(biāo)設(shè)備和應(yīng)用的類別，框架的主要特征點(diǎn)如表1所示。

表1 輕量級密碼算法評估框架

關(guān)于密鑰大小的問題，NIST提出：使用更短的密鑰長度以降低芯片、電路容積需求；根據(jù)NIST SP 800-57，低于112bit的密鑰將不允許（不計劃）使用。如表2所示。

表2 NIST密碼算法密鑰長度使用情況

4.2　輕量級密碼在資源受限設(shè)備安全中的應(yīng)用角色

工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為四個層次，即企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、過程控制網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，其中過程控制和生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的資源受限設(shè)備最為集中。輕量級密碼將主要針對這兩個層次的應(yīng)用，其角色可分為四類：

（1）身份認(rèn)證：資源的訪問和操作需要對執(zhí)行主體的身份進(jìn)行認(rèn)證，以確定操作權(quán)限；凡涉及企業(yè)或其他人員介入的業(yè)務(wù)操作流程，必須進(jìn)行身份驗(yàn)證；此外還包括各層次中和層次之間，子系統(tǒng)和設(shè)備交互時也需要進(jìn)行端到端身份驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)信息流的保密性、完整性和可用性。

（2）消息認(rèn)證：過程控制和生產(chǎn)現(xiàn)場層次中和層次之間存在大量的通信需求，包括各資源受限子系統(tǒng)和設(shè)備間的各種信息流向；身份認(rèn)證用于確保信息流雙方身份的合法性，而消息認(rèn)證則確保雙方通信的完整性，即通信過程中不會發(fā)生消息內(nèi)容修改、順序修改和計時修改。輕量級密碼在資源受限設(shè)備安全中的應(yīng)用進(jìn)展情況。

（3）傳輸加密：資源受限各子系統(tǒng)和設(shè)備之間的此外，文章也分析了輕量級密碼在資源受限設(shè)備安全通信可能涉及到系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、企中的四類應(yīng)用角色。業(yè)涉密信息的傳輸，因而需要采用可靠的加密方式進(jìn)行通信；基于輕量級密碼的傳輸加密措施必須滿足控制系統(tǒng)設(shè)備的帶寬、計算性能等約束性條件。

（4）安全事件追溯：工業(yè)控制系統(tǒng)在安全事件發(fā)生時和發(fā)生后，為了使系統(tǒng)管理員能準(zhǔn)確、及時的查找事件發(fā)生相關(guān)責(zé)任者和相關(guān)資源，因此需要對各子系統(tǒng)和設(shè)備部署增加安全事件追溯功能；事件追溯一般通過對系統(tǒng)安全日志的審計和查詢，并利用操作主體的數(shù)字簽名和時間戳進(jìn)行分析和查找。

5　總結(jié)
工控系統(tǒng)集成和使用了大量資源受限設(shè)備，工控安全密碼應(yīng)用需要考慮系統(tǒng)側(cè)和密碼側(cè)兩方面問題。
本文以輕量級密碼在資源受限設(shè)備安全中的應(yīng)用為主要探討對象，從技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化研究等方面分析了輕量級密碼在資源受限設(shè)備安全中的應(yīng)用進(jìn)展情況。此外，文章也分析了輕量級密碼在資源受限設(shè)備安全中的四類應(yīng)用角色。

作者簡介

向宏（1964-），四川成都人，重慶大學(xué)教授、信息物理社會可信服務(wù)計算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，擔(dān)任國家密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、國家商用密碼總體專家組成員等。近年來發(fā)表SCI/EI等學(xué)術(shù)論文40余篇，出版學(xué)術(shù)專著5部；主持國家863計劃項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金等項目50余項。

夏曉峰（1980-），四川夾江人，重慶大學(xué)副教授、中國自動化學(xué)會工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全專委會委員、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事等。發(fā)表SCI/EI等學(xué)術(shù)論文20余篇，出版科學(xué)出版社編著1部；獲得2016年中共中央辦公廳“黨政密碼科技進(jìn)步獎”；主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃網(wǎng)絡(luò)空間安全重點(diǎn)專項子課題、若干省部級科研項目及國家電網(wǎng)科研項目。

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摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全專刊（第五輯）》