洞见RSA2022 | 关于飞机域及衍生的安全设计思考

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早在2002年，电影《座舱压力》讲述了一架依靠卫星导航自动飞行的无人驾驶客机，被一名前航空公司雇员入侵，控制了飞机的导航系统，使飞机飞行过程中偏离了预定的路线。影片虽是虚构，但如今随着互联网技术的飞速发展，飞机的控制系统越发智能化，为了更好地向人们提供服务，商用飞机也开始承载旅客在万米高空上的线上办公、娱乐需求，这也为商用飞机网络安全增加了更多不确定因素。2022年6月7日，来自波音公司产品安全首席工程师Sean Sullivan，在RSAC大会上分享了“关于飞机域及衍生的安全设计思考（Introduction to Aircraft Domainsand Derived Security Design Considerations）”议题。主要介绍了商用飞机的航空电子网络设计，飞机架构与航空电子网络集成，以及航空系统环境的复杂性、飞机设计的安全要求、设计保证级别。

Part 1 商用飞机航空电子网络设计

来自波音的主讲嘉宾Sean Sullivan从人们对飞机安全存在的误区引入话题。误区一是，飞机的关键安全保障系统是基于以太网和IP协议连接的。他介绍了COTS的应用和航空电子网络设计，实际上以太网的核心技术是载波侦听访问协议（CSMA/CD）这种协议调度方式无优先级，不能满足实时性要求，所以飞机上至关重要的系统并不会使用以太网和IP协议通信。在商用飞机中可使用COTS（Commercial-Off-The-Shelf）以太网硬件和软件方法。COTS集成通信技术是能够解决以太网，无线局域网等商用领域的COTS通信技术应用现场设备间通信时的实时性，确定性，可靠性，互可操作性，总线供电，本质安全等关键技术，可在制定适用于航空电子系统关键设备间实时通信的应用层协议。COTS能满足未来系统的带宽需求，提高航空电子设计和采购的灵活性，减少飞机线缆，从而降低飞机重量和运营成本。为了监控燃料水平、导航天空、以及做与有效飞行相关的所有其他事情，与安全相关的重要的系统通信主要遵循ARINC标准的协议，保障各种电子设备能够协同工作。

在航空电子网络设计上Sean Sullivan分别对比了IT网络和航空网络结构，如图1所示，可看出航空网络分为三个安全域，从左到右的可靠性、实时性、安全性都是越来越高的。

图1  IT网络和航空网络结构

根据Ethernet和ARINC两种协议的特点，如表1所示，应用在不同的域。

表1 Ethernet和ARINC数据通信的特点

Part 2安全要求

许多航空电子系统正在将Ethernet与ARINC集成在一起，以满足飞机上不断增长和变化的数据需求。两者集成势必会产生新的安全问题，Sean Sullivan强调了以下几点：

  • 评估系统功能对安全的潜在影响，并指定设计保证等级(DALs)
  • DALs决定需要怎样的严密性和安全性来确保安全飞行；
  • 安全关键功能受到高度保护
  • 域卫士负责维护网段
  • 无直接路径
  • 对所有飞机结构进行广泛的测试和分析

根据故障条件和相关风险，将不同的设计保证级别分配给不同的软件功能或硬件系统。DALs可用于确定应用于航空电子系统不同组件的严格程度。并非所有软件都必须满足相同级别的安全要求，某个组件故障的潜在影响越大，就应该越安全。Sean Sullivan讲述了COTS OS非安全关键软件与RTOS关键安全软件标准，如表2所示。

表2  飞机软件标准

商用现成操作系统

非安全关键软件

 实时操作系统

关键安全软件
公共或开源软件 专有软件
测试仅限于非安全标准 测试所有可能的输入

Part 3 飞机机构与航空电子网络集成

人们认为机上娱乐系统可以接入导航航线，Sean Sullivan纠正这也是一个误区，由此展开介绍了娱乐系统与导航总线的数据交互，和飞机架构的安全域。娱乐系统与客舱服务系统（CSS）之间通过以太网接口连接，客舱服务系统会接收NAV数据。Sean Sullivan说明了娱乐系统虽然会接收NAV数据，但存在多种安全保障措施。

  • 客舱服务系统（CSS）订阅NAV数据。
  • CSS使用ARINC协议接收NAV数据。
  • 导航数据只是单向通信。
  • CSS使用防火墙和IP过滤来阻止与ARINC网络的数据交换。
  • 从较低关键程度系统到较高关键程度系统的通信被自动丢弃（从CSS到NAV）

随着互联飞机的未来发展，背后技术也在不断变化。性能需求的增加，让无缝连接更加重要。在客舱内乘客需要Wi-Fi接入，而且对于驾驶舱、塔楼和飞机到机场网络，也需要实时和安全的信息传递。飞机的通信连接是一项复杂的任务，每架飞机都有三个不同的数据域，如图2所示，每个域的重要性和连接性要求都不同。

图2  飞机联通域

从驾驶舱开始，飞机控制域（Aircraft Control Domain）是最为关键的域，确保持续通信的连通性对于航空旅行的安全和效率至关重要。从地面到飞机，以及飞行中的实时安全通信，这些是保障安全的关键，需要在任何时间、任何状态、任何地点、任何天气条件或异常情况下随时随地地访问和交换数据。飞机信息域（Aircraft Information Domain）包括飞机的运行数据，但与飞机的控制无关，因此尽管它在运行上很重要，但它不是关键任务。通过AID可以将飞行运行数据加以利用，改变航空公司的运营方式，提高飞机和机组人员的效率。该域可实现高级跟踪，例如飞机健康监测和预测性维护，从而能够更快、更有效地进行协调。

乘客信息和娱乐系统域（Passenger Information & Entertainment Systems Domain）可以包括多个互连的系统，例如乘客设备连接系统和宽带电视或连接系统。

Part 4绿盟科技解读

航空网络安全是安全航空旅行的关键要素，网络安全没有绝对安全，即使已投入大量的时间金钱在航空网络安全。在航空领域，存在一个关键的生命安全问题，网络攻击如果成功，最终可能导致无数人丧失生命。来自波音公司产品安全首席工程师Sean Sullivan从人们对飞机安全的两个误区，介绍了飞机航空网络设计和要求，与我们分享了飞机安全域和通信等知识。航空网络涉及工业控制、物联网等技术，绿盟科技将会专注于此类安全研究，未来会加大航空网络场景的安全研究，致力于解决物理与数字技术相结合对现实世界产生的安全问题，为生命财产安全保驾护航。

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