An effective intrusion-resilient mechanism for PLCs against data tampering attacks

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一、摘要及引言

本文中，作者利用PLC的可编程特性，提出了一种保护PLC抵御数据篡改攻击的方法。该方法主要有两部分组成——数据认证机制和数据恢复机制。数据认证机制能够实时检测数据篡改攻击，数据恢复机制可以在短时间内将PLC从异常状态恢复到正常状态。

由于PLC资源有限，传统的数据认证算法无法使用PLC指令实现，因此作者提出了一种新的数据认证算法。该算法以要传输的数据和伪随机数为输入，生成消息摘要。当接收方收到数据后，会重新计算消息摘要，通过与收到的摘要作比较，接收方可以判断数据是否被篡改。如果不一样，说明数据被篡改，此时接收方会要求发送方使用RC5加密并重传数据，由于数据加密传输，因此无法被篡改。接收方收到加密数据后，解密并更新PLC状态，使PLC恢复正常。为了减小开销，只有在检测到篡改攻击后，才会加密要重传的数据。

二、数据认证

数据认证算法的关键之处在于数学函数集合RFunc以及线性同余法生成器LCG。

RFunc：使用PLC内置指令构建的函数的集合，如布尔运算、加减乘除、异或、绝对值等函数。

LCG：使用线性同余法生成随机数，公式如下：

摘要生成算法如下：

三、数据恢复

数据恢复是通过加密重传数据包来实现的，使用的加密算法为RC5。数据恢复算法如下：

四、测试

作者在来自不同厂商的19个PLC平台上实现并测试了本文提出的方法。此外，作者在天然气管道实验台上测试了方法的有效性。