【S7-1200 CAN通信安全保障】：加密与认证机制深度分析


参考资源链接：[西门子S7-1200 CAN总线通信教程：从组态到编程详解](https://wenku.csdn.net/doc/5f5h0svh9g?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. S7-1200 CAN通信技术概述

在自动化控制系统中，现场总线技术发挥着至关重要的作用。CAN（Controller Area Network）总线作为其中的佼佼者，因其高效、可靠和抗干扰能力强而被广泛应用。S7-1200系列PLC是西门子的一款中端自动化产品，其内置的CANopen和DeviceNet协议支持，让工程师能在工业环境中实施复杂的分布式控制网络。

## 1.1 S7-1200 CAN通信基础

S7-1200 PLC通过其集成的PROFINET接口支持CAN通信，可以实现与各种支持CAN协议的设备和传感器的连接。在进行CAN通信时，S7-1200扮演的角色是网络中的一个节点。每个节点具有唯一的标识符（ID），用于确定消息的优先级和接收者。通信过程中，具有最高优先级的消息将首先被发送和接收。

## 1.2 CAN通信技术的应用场景

在诸如汽车电子、工业自动化、医疗设备和建筑自动化等众多领域中，S7-1200 PLC通过CAN通信能够进行数据交换和控制命令的传递。例如，在一个自动化生产线中，S7-1200 PLC可以利用CAN总线与多个分布式I/O模块、传感器和执行器进行通信，实现生产过程的监控和控制。

## 1.3 S7-1200 CAN通信的技术优势

相较于传统的串行通信，S7-1200 PLC通过CAN总线技术实现了更快的数据传输速率和更强的错误检测功能。数据帧的编码确保了高优先级的数据能迅速被传输，同时降低了因干扰而产生的通信错误的概率。此外，S7-1200 CAN通信在硬件和软件层面都提供了丰富的配置选项，以满足不同场景下的需求。

请注意，由于输出内容有字符限制，本章内容已经根据要求进行了简洁总结。在实际文章中，每个小节还可以进一步扩展，加入更多技术细节、配置步骤和应用场景分析。

# 2. CAN通信的安全风险与挑战

### 2.1 安全风险评估

#### 2.1.1 常见的通信威胁

在CAN通信网络中，由于其开放性和实时性的特点，存在多种安全威胁。这些威胁可以分为被动攻击和主动攻击两种类型。

被动攻击主要是监听，攻击者可能在不被发现的情况下监视通信通道，获取传输的数据。这些数据可能包含敏感信息，如设备状态、传感器读数等，攻击者对这些数据进行分析，可能会对系统的安全性和稳定性产生威胁。

主动攻击则包括篡改、重放和拒绝服务（DoS）攻击。篡改指的是攻击者更改传输中的数据内容；重放指的是攻击者捕获有效的数据包并重新发送，以试图绕过认证过程；拒绝服务攻击则是通过发送大量的非法消息使网络瘫痪，阻止合法用户访问网络资源。

#### 2.1.2 影响安全的关键因素

影响CAN通信安全的关键因素很多，主要有以下几点：

1. **物理安全**：CAN总线连接的设备通常部署在容易接近的物理位置，这为攻击者提供了物理接入点。
2. **加密强度**：如果CAN通信没有采用有效的加密措施，那么传输的数据极易被截获和篡改。
3. **认证机制**：没有严格认证机制的通信系统，容易被伪造的消息欺骗。
4. **网络架构**：网络的拓扑结构如果过于简单，攻击者可以轻易地控制整个网络。
5. **维护和更新**：如果设备的维护和软件更新不够及时，那么系统可能包含已知漏洞，容易受到攻击。

### 2.2 安全防护的基本理论

#### 2.2.1 安全防护原则

在设计和实施安全防护措施时，应遵循以下原则：

- **最小权限原则**：仅授予必需的权限，减少攻击面。
- **纵深防御**：通过多层安全措施来保护系统，使得攻击者即便绕过一层安全，仍需面对其他层。
- **完整性和保密性**：保证数据在传输过程中不被未授权修改，且确保数据的机密性。

- **可追溯性**：在发生安全事件时，能够追溯源头和过程，以便进行调查和取证。

#### 2.2.2 安全防护体系结构

一个有效的安全防护体系应具备以下结构：

- **边界防护**：在系统的边界安装防火墙，对进出的数据包进行严格检查。

- **入侵检测系统（IDS）**：监控网络流量，检测潜在的恶意活动。

- **入侵防御系统（IPS）**：在检测到攻击行为时，自动采取措施来阻止或减轻攻击。

- **数据加密**：对传输中的数据进行加密，确保其在到达目的地之前不被非法读取。

- **认证和访问控制**：确保只有授权的用户和设备可以访问网络资源。

### 2.3 加密与认证的基础知识

#### 2.3.1 加密技术简介

加密技术是保障数据安全传输的基本手段。加密算法分为对称加密和非对称加密两种。

- **对称加密**：加密和解密使用相同的密钥。优点是速度快，适合大量数据加密；缺点是密钥分发困难，一旦密钥泄露，则数据安全无法保证。

- **非对称加密**：加密和解密使用不同的密钥，通常成对出现，一个公钥用于加密，一个私钥用于解密。优点是安全性高，密钥分发容易；缺点是计算量大，速度较慢。

#### 2.3.2 认证机制概述

认证机制是指确保信息来源和完整性的一种安全措施。常见的认证机制有：

- **消息摘要**：使用散列函数产生数据的固定长度摘要，由于散列函数的单向性和抗碰撞性，可以验证数据的完整性和原始性。

- **数字签名**：发送者用自己的私钥对消息的散列值进行加密，接收者通过验证签名来确认消息未被篡改并且确实来自预期的发送者。

通过本章的介绍，我们可以了解到CAN通信面临的各种安全风险以及针对这些风险所应用的防护原则和基础技术。在后续章节中，我们将深入探讨如何具体实施这些安全措施，并对加密和认证技术进行更详细的阐述。

# 3. S7-1200 CAN通信的加密技术

在当今工业自动化领域，数据的安全性变得越来越重要。S7-1200系列PLC广泛用于自动化控制系统，通过CAN总线进行通信。本章节将深入探讨S7-1200 CAN通信中所采用的加密技术，理解对称加密和非对称加密算法的应用场景，以及如何管理加密密钥，并选择适合的加密协议实施。

## 3.1 对称加密与非对称加密

对称加密和非对称加密是两种不同的数据加密方法，它们在CAN通信中的应用各不相同，每种方法都有其优点和局限性。

### 3.1.1 对称加密算法在CAN通信中的应用

对称加密使用相同的密钥进行数据的加密和解密，其优点是速度快，适合于大量数据的加密，但其缺点是密钥分发和管理较为困难。常见的对称加密算法包括AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）和3DES（三重数据加密算法）。

在S7-1200 CAN通信中，对称加密算法经常用于加密那些频繁传输但不需要极强安全性的数据。例如，在一个自动化生产线中，设备的常规状态信息可以使用对称加密来保护