船舶VSAT与网络安全研究

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  摘  要:VSAT为船舶提供了价格相对低廉、上网速度比较快的卫星通信服务,受到船舶所有人和船员的青睐。目前提供VSAT宽带卫星通信业务的通信公司很多,实力和服务水平也参差不齐。同时,该系统是非GMDSS系统,缺少统一的规范标准,这样给船舶网络安全带来了一定的风险,因此在使用该网络的同时,也必须充分考虑到这些风险,做好防范工作,在享受VSAT带来便利的同时,避免遭受网络攻击,确保船舶营运安全。
  关键词:卫星通信;VSAT;Inmarsat系统;铱星系统;GMDSS;网络安全
  从21世纪初开始,随着船舶智能化、数字化进程的加快,物联网的应用,船舶视频、船舶日常监管和应急指挥以及船员个人对通信和网络的需求,都对大容量的宽带卫星通信服务提出了更高的要求,为满足这些需求,一种新型的卫星通信方式——VSAT在船舶上得到广泛的应用。在得到VSAT系统给我们提供的快速、廉价卫星通信服务的同时,它的运用所带来的网络安全问题也必须引起我们的重视。
  1 船用卫星通信系统现状
  卫星通信是目前也是将来船舶的主要通信方式。按照要求分,船舶通信有2种类型,一是保障海上人命安全及船舶航行安全的应急通信,二是满足船舶所有人和船员日常通信需求的常规通信。
  在卫星通信系统中,目前只有Inmarsat系统提供船舶应急通信服务。由于美国的积极推动,2024年后,美国的“铱星系统”也将为船舶提供应急通信服务,届时,船舶应急通信将由Inmarsat和“铱星系统”两个卫星通信系统共同提供应急通信服务,以满足保障海上人命安全及船舶航行安全的船舶遇险与通信的需求。
  常规通信中,Inmarsat系统相继推出了Fleet Board业务(L波段)和Global Xpress业务(Ka波段),Global Xpress同Fleet Boradband两种业务组合为Inmarsat Fleet Xpress业务(早期称为Inmarsat-VSAT),这样既提高了通信的可靠性(L波段特点),同时也提高信息传输传输速率,降低了通信费用(Ka波段特点),只是船用通信设备增加一副卫星天线而已。“铱星系统”在常规通信中也准备开展Ka波段的业务,以提高通信速度,降低通信费用来吸引更多的用户。但是由于这两个系统通信费用比较高等原因,尽管这两个系统被纳入GMDSS中,船东在常规通信中选择使用这两个系统还是有所考虑的。
  由于上述原因,目前在船舶常规通信中得到广泛应用的VSAT系统还将继续在船舶常规通信中充当重要的角色。即在今后的船舶常规通信中,将会出现Inmarsat系统、“铱星系统”和船东自行选择的VSAT系统并存的局面。
  2 VSAT简介
  VSAT(Very Small Aperture Terminal)甚小口径卫星终端,自20世纪80年代最先在美国兴起,用户终端天线口径小,通常为0.3~1.4 m。
  VSAT系统由一个主站及众多分散设置在各个用户所在地的远端VSAT终端组成,使用的卫星主要由地球静止轨道卫星组成,卫星工作在不同的频段,如C波段、Ku波段和Ka波段。VSAT系统具有灵活性强,可靠性高,成本低等特点。可提供电话、传真、数据信息等多种通信业务,数据传输速率可达兆(M)级。
  船载VSAT系统是由通信运营商租用不同通信卫星组织的卫星(个别也有自有卫星)或转发器后组成的一个通信卫星网络,与传统船用网络相比,VSAT系统传输速率较快、费率相对低廉。但是VSAT系统工作的波段(Ku和Ka波段)容易受到雷暴天气影响。
  2.1 VSAT系统组成
  VSAT卫星通信系统由空间和地面两部分组成,如图1所示。
  VSAT空间部分主要有静止轨道卫星组成,卫星工作的频段有C(4~8 GHz)波段、Ku(12~18 GHz)波段和Ka(26.5~40 GHz)频段,星上转发器的发射功率应尽量大,以使VSAT地面终端的天线尺寸尽量小。早期卫星通信使用C波段,后来因为C波段变得拥挤,于是就相继出现了Ku波段、Ka波段等。C波段信号覆盖地域广,信号强度弱,接收天线要求面积大。Ku和Ka波段信號强,但覆盖地域小,波长短,天线面积较小,但雨衰问题比较严重。
  VSAT的地面部分由主站、远端站和网络控制单元组成,对于开放船舶通信业务的VSAT来说,主站的作用是陆地网络和移动网络的网关,远端站是卫星通信网络的主体,VSAT卫星通信网就是由许多的远端站组成的,这些站越多每个站分摊的费用就越低。一般远端站直接安装于用户处,与用户的终端设备连接。
  船舶VSAT远端站由室外单元和室内单元组成,如图2所示。室外单元即射频设备,包括小口径天线、上下变频器和各种放大器;室内单元即中频及基带设备,包括调制解调器、编译码器等,因业务不同而略有不同。
  2.2 VSAT通信网络
  VSAT典型的网络形态有:星状网与网状网,如图3所示。
  星状网是指以VSAT网络主站为网络中心,各VSAT端站与主站之间构成通信链路,各VSAT端站之间不构成直接的通信链路。VSAT端站之间构成通信链路时需要通过VSAT主站转发来实现。这类功能均由VSAT主站的网络控制系统参与来完成。
  网状网是指各VSAT端站之间相互构成直接的通信链路,不通过VSAT主站转发。VSAT主站只起到全VSAT网络的控制、管理及VSAT主站和端站之间的通信。
  从应用方面看,VSAT主要分为两大类,即共用VSAT网与专用VSAT网。
  共用VSAT网确切地讲是主站共用VSAT网,经营者拥有功能较强的主站网控网管系统,以及较强的通信能力。各种类型的VSAT用户可以作为一个VSAT 子网在同一个VSAT主站控制管理下,组织本子网内的各种类型的通信业务。共用VSAT网在使用上较经济。用户自身一般不需要建投资很高、维护要求也很高的VSAT主站。特别在子系统内VSAT端站数量比较少,达不到规模效益的情况下,选用共用VSAT系统是比较合适的,目前提供船舶使用的VSAT网基本就是这种网络。   专用VSAT网在运行方式上和共用VSAT网一样,主要区别在行政管理上。专用VSAT网是由用户单位自己投资建设系统,自己运行管理,以解决自身的通信业务要求。VSAT端站的用户是本系统的一个分支机构,一般不对社会开放经营通信业务,也不纳入社会通信基础网络中。
  2.3 VSAT业务及分类
  VSAT系统可提供电话、传真、数据信息等多种通信业务,根据业务性质可分为数据通信网、语音通信网和电视卫星通信网三大类。数据通信网以数据通信为主,除数据通信外,还能提供传真及少量的话音业务;语音通信网以话音通信为主,主要供公用网和专用网话音信号的传输和交换,同时也能提供交互型的数据业务;电视卫星通信网以电视接收为主。
  2.4 VSAT通信特点
  与Inmarsat卫星系统相比,VSAT卫星通信系统的特点,主要包括以下几个方面。
  (1)VSAT终端天线的直径较小,目前采用较多的是1.2~1.8 m。还有直径为0.3 m的便携式个人地球站。
  (2)发射功率小,一般在1~3 W之间。
  (3)重量轻,常用的为几十千克,有的小到几千克,便于携带。
  (4)数据传输速度快,上行(终端到卫星)可达2 Mbps,下行(卫星到终端)可达64 Mbps甚至更高,通信费用低于Inmarsat系统。
  (5)组网灵活,容易扩充,可使用多种网络结构。传统Inmarsat系统网络结构仅为星型,两个终端间通信存在明显延时,通信链路按“终端 卫星地面站卫星终端”进行。VSAT系统可以有多种网络结构,两终端间通信,通信链路可按“终端-卫星-终端”进行,大大缩减了信号传输延时。
  2.5 VSAT系统存在的主要问题
  VSAT系统组网灵活、容易扩充,这既是其优点,也是其缺点。由于VSAT系统组网容易,同时国际上也没有统一的标准对于VSAT宽带业务供应商进行约束和规范,所以涌现出了许多VSAT船舶宽带业务供应商,这些供应商有的租用卫星的转发器、波束,有的依附于大的VSAT供应商,提供的服务水平参差不齐。而个别航运用户也缺乏相关宽带VSAT卫星通信业务经验,往往只从价格上判断来选择VSAT通信业务供应商,这不但导致现在很多应用实际还是窄带通信模式,而且服务和网络安全保障也跟不上,突出的问题是使船舶网络容易遭受网络攻击的威胁。
  3 VSAT系统网络安全的思考与建议
  VSAT由于通信费用相对较低,信息传播速度比较高,在船舶上得到广泛的应用,使船舶成了陆地Internet的一个终端用户,船员可以方便地利用VSAT在船上进行电子邮件的收发、网页浏览、文件和资料下载等操作,这一方面丰富了船员的文化生活,对于稳定船员队伍、提升船员的士气和工作效率有着重要的作用;但是另一方面,VSAT的使用,遭受网络威胁的隐患也在不断增加,这也是船舶管理者不得不面对的一个紧迫而现实的问题。
  2018年,Marlink通信公司的一份统计报告中指出:全球所有电子邮件中,70%以上含有垃圾邮件和病毒;已知的恶意软件程序超过500 000 000种,每天检测到的新型变种超过390 000个;船舶每天因网络攻击造成的网络中断引起的业务中断费用已超过50 000 美元;但是由于受到网络攻击而造成的损失不在船舶保险之列,这些损失得不到赔付。
  面对来势汹汹的网络攻击,一些航运公司采用消极和极端的方式,就是封锁或限制VSAT的大部分功能的使用,这不仅违背了安装VSAT的初衷,同时在网络时代,网络已经融入船舶运营和管理的各个方面,如收发电子邮件、网络视频、网络电话、接收海上安全信息、电子海图更新等等,这些都离不开网络,为了船舶信息安全而让船舶与网络隔离,这在目前互联网、物联网时代是不现实也是不可取,现在需要做的就是主动了解可能对船舶网络造成威胁的原因,积极地进行预防和应对。
  统计资料表明,80%的网络安全事件是由于人为错误造成。以下原因可能造成网络风险,使船舶网络面临遭受攻击的威胁。
  (1)船员访问非指定的危险网站;
  (2)船员从互联网下载危险文件;
  (3)船员将恶意软件感染的USB存储设备与计算机连接;
  (4)船上收到欺诈性垃圾邮件和钓鱼邮件,跳转至可盗取保密信息的网站;
  (5)恶意软件感染从船员使用的网络扩散到运营性业务网络;
  (6)船员接通船上一个未经授权的、可能潜在受到病毒感染的设备;
  (7)通过一个公共的IP地址或静态IP地址远程访问另一个船舶的设备,使设备有受到网络攻击的危险;
  (8)老旧软件存在安全漏洞,攻击者可能利用漏洞进入网络;
  (9)船员不经过IT部门批准,擅自更改PC的配置,安装了其他应用程序;
  (10)恶意软件修改IT系统,并/或删除重要的业务文件。
  从上面列举的10项可能造成船舶网络遭受攻击威胁的原因看,人为的因素占很大一部分,所以除了加强对船员进行网络安全方面的教育外,还应该采取一些必要措施,确保网络安全。
  (1)选择势力比较强的卫星通信服务提供商。由于船舶宽带VSAT卫星通信市场起步不久,同时也不是GMDSS规定的业务,现在没有规范标准,将来也不会有统一的标准,用户也缺乏管理宽带VSAT卫星通信业务经验,这种情况下,就应该选择势力比较强的卫星通信服务提供商,这些运营商有着丰富的应对网络攻击的经验,通过防火墙、网页过滤、文件识别以及文件备份等手段,确保船舶数据安全。
  (2)对于比较大的航运公司,在条件允许情况下,打造一个统一的平台。平台建立后,将公司所属船舶的卫星通信服务统一到平台中,实现按要求分组、带宽调配等适应航运业务需求的功能,完成卫星通信业务的归口统一管理和服务运营。这样平台可以识别一些潜在的危险网站,并阻止船员浏览这些网站;平台也可以阻止一些文件的下载。通過集中处理各类卫星通信业务,保证航运公司船舶数据通信安全。
  (3)船舶网络终端实行分类管理。把船员上网的网络与船舶营运性网络进行分割,并进行严格管理,对船舶营运性网络终端的USB等接口进行物理封堵。
  (4)安装并及时更新杀毒软件,对于下载的文件,首先进行杀毒。
  (5)对于外来的存储设备应在专用电脑上杀毒并打开。
  (6)避免在公众互联网传送机密信息,以防止网络黑客截获经公共互联网传送的机密数据,造成商业机密泄露。
  VSAT卫星通信系统以其便捷的服务、相对低廉的通信价格受到船东的青睐,与此同时也带来了船舶网络安全的问题,只要在应用该项业务的时候加强对于船员的网络安全教育,积极预防,就一定能够免于遭受网络攻击威胁,使VSAT系统在船舶营运和船员个人网络需求方面发挥更重要的作用。
  作者简介:
  柳邦声,教授,研究方向:船舶无线电通信与导航,(E-mail)liu.bangsheng@coscoshipping.com
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