鐵路信號系統(tǒng)安全相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)與安全協(xié)議研究
《鐵路信號系統(tǒng)安全相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)與安全協(xié)議研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《鐵路信號系統(tǒng)安全相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)與安全協(xié)議研究（5頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
本文由20062280_xing貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 Railway Topics 鐵路視點(diǎn) 鐵路信號系統(tǒng) 安全相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)與安全協(xié)議研究 楊霓霏：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，碩士研究生，北京，100081 段 武：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，研究員，北京，100081 盧佩玲：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，研究員，北京，100081 1 EN 50159標(biāo)準(zhǔn)概述 摘 要：歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CENELEC)核準(zhǔn)的 EN 50159標(biāo)準(zhǔn)提出在安全相關(guān)設(shè)備中的數(shù)據(jù)通信 必須建立安全相關(guān)通信功能，安全功能包括安全過程 (safety procedure)及安全碼(safety code)兩方面內(nèi) 容。從結(jié)構(gòu)上講就是在應(yīng)用層與通信系統(tǒng)之間，建立安 全相關(guān)通信層，簡稱安全層。需要傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)首先 經(jīng)過安全層的處理，生成安全層數(shù)據(jù)報(bào)文之后再發(fā)往傳 輸系統(tǒng)；從傳輸系統(tǒng)收到的信息也先經(jīng)過安全層過濾才 被采用。無論傳輸系統(tǒng)采用何種結(jié)構(gòu)以及協(xié)議棧，從邏 輯角度安全相關(guān)數(shù)據(jù)在安全層由安全過程和安全碼的 保護(hù)進(jìn)行通信。物理上安全層的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸系統(tǒng)傳 送，所以傳輸系統(tǒng)特性直接影響安全通信功能。為此， EN 50159標(biāo)準(zhǔn)是專門針對鐵路信號系統(tǒng)中安全相關(guān)通 信而設(shè)立的,該標(biāo)準(zhǔn)從功能和技術(shù)層面提出傳輸系統(tǒng) 可能遇到的威脅及安全要求和措施。為防御各種風(fēng) 險(xiǎn)，要求安全通信系統(tǒng)應(yīng)具有保護(hù)報(bào)文真實(shí)性、保 護(hù)報(bào)文完整性、保護(hù)報(bào)文時(shí)間性和保護(hù)報(bào)文順序性 等4項(xiàng)防御功能。 關(guān)鍵詞：鐵路信號系統(tǒng)；安全相關(guān)通信；安全協(xié) 議；標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn) 子系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)子系統(tǒng)之間安全數(shù)據(jù)交換的通 信系統(tǒng)是安全相關(guān)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。歐洲電工 標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CENELEC)核準(zhǔn)的EN 50159標(biāo)準(zhǔn)是專門針對 鐵路信號系統(tǒng)中安全相關(guān)通信而設(shè)立的，此標(biāo)準(zhǔn)為構(gòu)建 安全相關(guān)通信系統(tǒng)提出了功能和技術(shù)方面的基本要求和 設(shè)計(jì)指導(dǎo)。目前,我國列車控制系統(tǒng)應(yīng)用的部分歐洲設(shè) 備或系統(tǒng)方案涉及到EN 50159標(biāo)準(zhǔn)建立的安全通信系統(tǒng) 及接口協(xié)議。 代化的鐵路信號及控制系統(tǒng)一般由多個(gè)安全相關(guān) EN 50159標(biāo)準(zhǔn)分為兩個(gè)部分：EN 50159—1標(biāo)準(zhǔn)[1]針對封 閉傳輸系統(tǒng)提出構(gòu)建安全通信的基本要求，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用 標(biāo)準(zhǔn)的先決條件、基本功能需求和安全完整性需求。EN 50159—2標(biāo)準(zhǔn)[2]針對開放傳輸系統(tǒng)提出基本安全需求， 分析開放傳輸系統(tǒng)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)及對應(yīng)的安全措施。封閉 傳輸系統(tǒng)指特征及屬性清晰、固定的傳輸系統(tǒng)，建立安 全相關(guān)通信功能可以考慮封閉傳輸系統(tǒng)的屬性；而開放 傳輸系統(tǒng)充滿不確定性，安全通信功能的建立必須考慮 所有可能發(fā)生的問題。 48 中 國 鐵 路 CHINESE RAILWAYS 2008/06 鐵路信號系統(tǒng)安全相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)與安全協(xié)議研究 楊霓霏 等 傳輸系統(tǒng)對安全通信功能的影響主要表現(xiàn)在傳輸系 統(tǒng)的不同特性決定了錯(cuò)誤的不同種類。安全完整性需求 規(guī)范是在對錯(cuò)誤模型的功能性分析基礎(chǔ)上完成的，其錯(cuò) 誤主要來自傳輸系統(tǒng)。應(yīng)用層的錯(cuò)誤不在EN 50159標(biāo)準(zhǔn) 的考慮范圍內(nèi)。從接收角度對傳輸系統(tǒng)錯(cuò)誤的界定是， 當(dāng)收到的報(bào)文出現(xiàn)差錯(cuò)，而接收端卻誤認(rèn)為是合法報(bào)文 并加以處理，這種情況稱為影響安全的“錯(cuò)誤”或“風(fēng) 險(xiǎn)”。EN 50159—2標(biāo)準(zhǔn)提出7種傳輸系統(tǒng)可能遇到的風(fēng) 險(xiǎn)威脅及8種防御措施，其內(nèi)容及應(yīng)對關(guān)系見表1。 表1 防御措施與風(fēng)險(xiǎn)威脅應(yīng)對關(guān)系 風(fēng)險(xiǎn) 防御 序列號 時(shí)間戳 超時(shí) 源和目的 反饋 身份鑒 安全 身份標(biāo)識 信息 別過程 編碼 重復(fù) √ √ 刪除 插入 重排序 訛誤 延時(shí) 偽裝 √:表示防御措施與風(fēng)險(xiǎn)威脅應(yīng)對關(guān)系 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 密碼 技術(shù) Railway Topics 鐵路視點(diǎn) 全過程可以發(fā)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)在傳輸中出現(xiàn)的“訛誤”。發(fā) 送端的安全功能負(fù)責(zé)對安全數(shù)據(jù)進(jìn)行安全編碼，再將安 全碼、用戶數(shù)據(jù)及其他安全附加信息組成安全報(bào)文進(jìn)行 傳輸，接收端收到報(bào)文后，依照報(bào)文結(jié)構(gòu)從報(bào)文中截取 安全數(shù)據(jù)，再次編碼計(jì)算，并將得到的碼字與報(bào)文中的 安全碼進(jìn)行比對，鑒別是否發(fā)生“訛誤”。設(shè)計(jì)安全碼 必須選擇適當(dāng)?shù)木幋a技術(shù)和足夠的編碼長度，以滿足安 全功能需求，并達(dá)到安全通信系統(tǒng)要求的安全完整度定 量指標(biāo)。EN 50159—1標(biāo)準(zhǔn)附錄A給出安全碼長度的參考 計(jì)算公式。EN 50159—2標(biāo)準(zhǔn)介紹了安全碼的基本類型及 選擇，可作為安全碼的主要有線性分組碼、循環(huán)分組碼 （CRC）、散列分組碼和加密分組碼。選擇安全碼和加 密技術(shù)主要根據(jù)傳輸系統(tǒng)是否有非授權(quán)訪問，是否可以 避免惡意攻擊，以及安全通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中是否采用獨(dú)立 的非法接入保護(hù)措施?？傊?，根據(jù)傳輸系統(tǒng)和安全通信 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇安全碼。 安全碼使安全通信達(dá)到量化的安全目標(biāo)。在安全 協(xié)議中，除用戶安全數(shù)據(jù)外，一般還要將安全層的附 加安全數(shù)據(jù)，如時(shí)間戳和身份鑒別ID等納入安全碼保 護(hù)范圍。在有些安全協(xié)議中，還將附加安全數(shù)據(jù)直接 設(shè)計(jì)為計(jì)算參數(shù)參與安全碼算法(如SACEM)，或?qū)⑵渥?為安全碼的擴(kuò)充內(nèi)容(如FSFB/2)，使安全層對報(bào)文完 整性、真實(shí)性和時(shí)序性的驗(yàn)證在安全編碼的計(jì)算和驗(yàn) 證過程中一起完成，提高了安全性和效率，便于安全 通信過程的管理。 SACEM算法是一種特殊設(shè)計(jì)的散列分組編碼算法， 時(shí)間標(biāo)記的DE/DR值與用戶安全數(shù)據(jù)一起被進(jìn)行SACEM編 碼計(jì)算，而報(bào)文真實(shí)性信息被設(shè)置為定向連接參數(shù)作為 計(jì)算公式的一部分。 FSFB/2采用基于32位CRC的安全編碼，發(fā)送端身份 標(biāo)識號SID以及發(fā)送端時(shí)間戳T n 通過異或運(yùn)算加入到CRC 校驗(yàn)碼，得到FSFB/2安全碼。這種方式使SID和T n 隱形于 安全編碼中，也使報(bào)文真實(shí)性和完整性驗(yàn)證過程統(tǒng)一進(jìn) 行。因?yàn)榻邮斩擞?jì)算出CRC校驗(yàn)碼之后只能從安全碼中恢 復(fù)出SID與Tn 經(jīng)異或運(yùn)算結(jié)合在一起的信息，也只有設(shè)法 驗(yàn)證出SID及Tn 之后才能完成CRC的驗(yàn)證。 2.2 報(bào)文時(shí)序性保證 順序性就是保證接收端收到的報(bào)文序列與發(fā)送端發(fā) 為防御各種風(fēng)險(xiǎn)，要求安全通信系統(tǒng)應(yīng)具有保護(hù)報(bào) 文真實(shí)性、保護(hù)報(bào)文完整性、保護(hù)報(bào)文時(shí)間性和保護(hù)報(bào) 文順序性等4項(xiàng)防御功能，其中報(bào)文時(shí)間性和順序性統(tǒng)稱 為時(shí)序性，對于安全通信系統(tǒng)可以從這3方面進(jìn)行研究。 以兩種歐洲鐵路信號公司的安全通信協(xié)議為例分析 安全措施的實(shí)施。一是CSEE Transport公司針對封閉傳 輸系統(tǒng)的安全協(xié)議,主要特征為SACEM安全編碼及DE/DR 時(shí)間標(biāo)記機(jī)制 ，SACEM是一種安全碼。二是ALSTOM 公司以開放傳輸系統(tǒng)為對象的安全協(xié)議FSFB/2 [4] [3] 。 FSFB(Fail Safe Field Bus)是ALSTOM公司的一種安全通 信協(xié)議名稱，F(xiàn)SFB/2是FSFB的第二代，主要實(shí)現(xiàn)開放傳 輸系統(tǒng)中安全相關(guān)數(shù)據(jù)通信。這兩種協(xié)議在歐洲地鐵和 鐵路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)引進(jìn)，這些安全協(xié)議和技 術(shù)在我國列控系統(tǒng)中也得到應(yīng)用。 2 安全通信功能及具體安全措施 2.1 報(bào)文完整性保證 保證報(bào)文完整性就是防止報(bào)文在傳輸過程中出現(xiàn) 任何“訛誤”，安全相關(guān)通信的防御措施是采用安全 碼。安全碼是一種冗余檢錯(cuò)碼，依靠安全碼接收端的安 中 國 鐵 路 CHINESE RAILWAYS 2008/06 49 Railway Topics 都是順序性錯(cuò)誤表現(xiàn)。 鐵路視點(diǎn) 鐵路信號系統(tǒng)安全相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)與安全協(xié)議研究 楊霓霏 等 應(yīng)用層超時(shí)之前，安全層連接得到及時(shí)恢復(fù)，將不會對 應(yīng)用層造成影響。因此，兩個(gè)超時(shí)之間相差的時(shí)間應(yīng)至 少可以完成一次安全通信初始化。在此條件下安全層超 時(shí)時(shí)限可以考慮盡可能接近應(yīng)用層超時(shí)時(shí)限，這樣可增 加安全層容錯(cuò)性，減少安全層重建連接對信道的占用。 FSFB/2協(xié)議中有稱為“最大容忍偏差”的參數(shù)，假設(shè)接 收端與發(fā)送端周期大小相同，以接收端周期為單位,則 參數(shù)可表示為K +1，其中K 表示接收端允許安全數(shù)據(jù)報(bào)文 序列中連續(xù)丟失報(bào)文的最大數(shù)量。當(dāng)接收端在距離上 一次接收到正確數(shù)據(jù)后超過K +1周期仍沒有收到正確數(shù) 據(jù)，將重新建立安全連接。這里需要注意，雖然協(xié)議允 許接收端在正確接收到假定編號為n 的報(bào)文之后可以接 著接收第n +k 號報(bào)文(0下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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