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    隨著我國工業(yè)化和信息化的深度融合以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品越來越多地采用通用協(xié)議、通用硬件和通用軟件，并以各種方式與互聯(lián)網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)連接；在工業(yè)控制系統(tǒng)愈發(fā)智能的同時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)也變得更加透明、開放、互聯(lián)。病毒、木馬等威脅開始向工業(yè)控制系統(tǒng)擴(kuò)散，信息安全問題日益突出。工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全是多行業(yè)、多領(lǐng)域和多學(xué)科融合的新興領(lǐng)域，我國關(guān)于工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全研究仍然處于起步發(fā)展階段。

    1　工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）簡介

    工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control Systems，ICS）是由各種自動(dòng)化組件和對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測的過程控制組件，共同構(gòu)成的對工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策的生產(chǎn)流程管控系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗等目的。ICS包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems，DCS）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以及其他控制系統(tǒng)等，目前已廣泛應(yīng)用于電力、水力、鋼鐵、石化、醫(yī)藥、食品以及汽車、航天等工業(yè)領(lǐng)域，成為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是這些基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行的“中樞”和“大腦”。

    2　ICS信息安全典型案例

    最為著名的I C S 信息安全案例就是“ 震網(wǎng)（Stuxnet）”病毒襲擊事件。“震網(wǎng)”病毒于2010年6月首次被檢測出來，是第一個(gè)專門定向攻擊真實(shí)世界中基礎(chǔ)設(shè)施的“蠕蟲”病毒，比如核電站、水壩、國家電網(wǎng)等。2011年2月，伊朗突然宣布暫時(shí)推遲首座核電站——布什爾核電站的使用，原因就是核設(shè)施遭到“震網(wǎng)”病毒攻擊，病毒侵入了西門子公司為核電站設(shè)計(jì)的工業(yè)控制軟件，并奪取了一系列核心生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵控制權(quán)，1/5的離心機(jī)報(bào)廢。“震網(wǎng)”病毒使用了4個(gè)未公開漏洞、1個(gè)Windows Rootkit、一個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）Rootkit、防病毒免殺技術(shù)、P2P更新，從可信認(rèn)證中心（Certificate Authority，CA）竊取證書，并不斷演變進(jìn)化；該病毒是通過移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)入到同其他網(wǎng)絡(luò)物理隔離的計(jì)算機(jī)中，自動(dòng)查找西門子的SIMATIC WinCC工控系統(tǒng)軟件，使用PLC Rootkit修改控制系統(tǒng)參數(shù)并隱藏PLC變動(dòng)，從而對真實(shí)物理設(shè)備和系統(tǒng)造成物理損害。“震網(wǎng)”病毒的出現(xiàn)和傳播，威脅的不僅是自動(dòng)化系統(tǒng)的安全，而且使自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性上升到國家安全的高度。

    ICS信息安全事件數(shù)量逐年大幅上升，據(jù)來源于美國國土安全部的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急響應(yīng)小組ICSCERT）
的數(shù)據(jù)表明，如圖1所示，自2010年起，重大ICS信息安全事件呈爆炸式增長，由2010年的39起增加到2013年的256起。

圖1 ICS-CERT歷年的ICS信息安全事件統(tǒng)計(jì)（按財(cái)年）

    3　產(chǎn)生ICS信息安全問題的原因

    對ICS的信息安全攻擊是對傳統(tǒng)IT攻擊的一種自然發(fā)展。近十年來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，ICS網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系越來越緊密，信息化在我們企業(yè)中的應(yīng)用取得了飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中大量采用通用TCP/IP技術(shù)。此外，傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)采用專用的硬件、軟件和通信協(xié)議，設(shè)計(jì)上基本沒有考慮互聯(lián)互通所必須考慮的通信安全問題。企業(yè)管理網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)的防護(hù)功能都很弱，甚至幾乎沒有隔離功能，因此在ICS開放的同時(shí)，也減弱了控制系統(tǒng)與外界的隔離，ICS的安全隱患問題日益嚴(yán)峻。系統(tǒng)中任何一點(diǎn)受到攻擊都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。在當(dāng)前ICS標(biāo)準(zhǔn)化和互聯(lián)互通的趨勢下，采用信息安全攻擊對攻擊者來說更便宜、風(fēng)險(xiǎn)更低、不受地理限制，并且更容易復(fù)制和操作，因而導(dǎo)致了ICS信息安全問題近些年來頻頻發(fā)生。ICS系統(tǒng)安全問題嚴(yán)峻的主要原因有以下幾點(diǎn)：

    （1）管理缺失

    沒有足夠健全的安全政策、管理制度，人員安全意識(shí)缺乏。由于ICS不像互聯(lián)網(wǎng)或與傳統(tǒng)企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)那樣備受黑客的關(guān)注，在2010年“震網(wǎng)”事件發(fā)生之前，很少有黑客攻擊工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的事件發(fā)生；ICS在設(shè)計(jì)時(shí)多考慮系統(tǒng)的可用性，普遍對安全性問題考慮不足，更不用提制定完善的ICS安全政策、管理制度以及對人員的安全意識(shí)培養(yǎng)了，天長日久造成人員的信息安全意識(shí)淡薄。其中，人員安全意識(shí)薄弱、缺乏定期安全培訓(xùn)是造成ICS信息安全風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要因素，特別是重要崗位人員容易淪為外部威脅入侵的跳板。

    （2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不完善，深度保護(hù)不夠

    相較于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)，大多數(shù)的ICS在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，需要兼顧應(yīng)用環(huán)境、控制管理等多方面因素，首要考慮效率和實(shí)時(shí)特性。因此，ICS普遍缺乏有效的工業(yè)信息安全防御及數(shù)據(jù)通信保密措施。ICS早期和企業(yè)管理系統(tǒng)是隔離的，但近年來為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與生產(chǎn)控制，滿足“兩化融合”的需求以及管理的方便，通過邏輯隔離的方式，使ICS和企業(yè)管理系統(tǒng)可以直接進(jìn)行通信，而企業(yè)管理系統(tǒng)一般直接連接Internet。在這種情況下，ICS接入的范圍不僅擴(kuò)展到了企業(yè)網(wǎng)，而且面臨著來自Internet的威脅。

    （3）ICS的自身特點(diǎn)所致

    ICS的設(shè)計(jì)開發(fā)之初并未將系統(tǒng)防護(hù)、數(shù)據(jù)保密等安全指標(biāo)納入其中。兩化融合和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得TCP/IP協(xié)議和OPC協(xié)議等通用協(xié)議越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，隨之而來的通信協(xié)議漏洞問題也日益突出。而且ICS網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接，防護(hù)措施的薄弱（如TCP/1P協(xié)議缺陷、工業(yè)應(yīng)用漏洞等）導(dǎo)致攻擊者很容易通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間接入侵ICS。

    （4）ICS設(shè)備的通用性

    在ICS中多采用通用協(xié)議、通用軟件、通用硬件，這些通用設(shè)備的漏洞給系統(tǒng)的信息安全帶來極大隱患。

    通信網(wǎng)絡(luò)是ICS中連接監(jiān)測層與控制層的紐帶，目前ICS多采用IEC 61158中提供的20種工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，例如Modbus系列、Profibus系列等。如利用這些通用協(xié)議的缺陷、漏洞即可入侵ICS，獲得控制器的控制權(quán)，進(jìn)而破壞整個(gè)系統(tǒng)。

    組態(tài)軟件作為ICS監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，針對不同的控制器設(shè)備，其應(yīng)用具有一定的通用性。目
前使用比較廣泛的有WinCC、InTouch、iFix等。“震網(wǎng)”病毒即利用了西門子WinCC的漏洞。

    通用控制器硬件設(shè)備主要采用西門子、羅克韋爾自動(dòng)化、施耐德電氣等公司產(chǎn)品，因此這些通用控制器所具有的漏洞極易成為惡意攻擊的突破口。如施耐德電氣Quantum以太網(wǎng)模塊漏洞可以使任何人全方位地訪問設(shè)備的硬編碼密碼。

    4　ICS信息安全問題的應(yīng)對措施

    要提高整個(gè)ICS的信息安全，必須從技術(shù)和管理兩個(gè)方面來綜合解決問題。一般采用的關(guān)鍵技術(shù)為信息安
全風(fēng)險(xiǎn)評估，具體實(shí)施采用縱深防御體系。

    4.1　ICS信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估

    ICS信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估屬于風(fēng)險(xiǎn)評估范疇，因此它在風(fēng)險(xiǎn)概念、風(fēng)險(xiǎn)評估的基本流程方面基本繼承了通用信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估中的相關(guān)內(nèi)容；但另一方面，ICS是工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)，在生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)中執(zhí)行傳統(tǒng)IT信息安全技術(shù)測試（如漏洞掃描、滲透測試）可能會(huì)對生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)造成損害甚至引發(fā)安全事故，因此在風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)施指南方面的工作都要具體指出ICS風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)施的特點(diǎn)。

    安全風(fēng)險(xiǎn)評估最為常用的是定性和定量風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)方法。定性風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)方法是在確定風(fēng)險(xiǎn)時(shí)采用高、中、低等定性分級方法，定量風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)方法是使用數(shù)值定量計(jì)算的評估技術(shù)和方法。

    在風(fēng)險(xiǎn)評估中，確定風(fēng)險(xiǎn)總的來說就是回答三個(gè)問題：什么會(huì)出錯(cuò)？出錯(cuò)的可能性有多大？后果會(huì)是什么？定性風(fēng)險(xiǎn)評估方法主要是憑借評估者和專家的經(jīng)驗(yàn)、直覺來主觀判斷，對這些問題給出高、中、低等定性分析與判斷，定性方法通常操作簡單、直觀、容易掌握。但其評價(jià)結(jié)果通常很大程度依賴于評估者和專家的經(jīng)驗(yàn)，更具主觀性，對負(fù)面事件發(fā)生的可能性和后果不能給出量化結(jié)果。定量風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)方法也稱概率風(fēng)險(xiǎn)評估，它主要是對負(fù)面事件的可能性用概率或頻率表達(dá)，并給出后果的數(shù)字化值，從而得出風(fēng)險(xiǎn)的量化值。概率風(fēng)險(xiǎn)評估包括故障樹分析、攻擊樹分析、事件樹分析、漏洞樹分析、失效模式和影響分析、失效模式影響和關(guān)鍵性分析、因果分析等方法，以及一些基于這些方法的擴(kuò)展或組合等。定量風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)和方法能從數(shù)量上說明評估對象的危險(xiǎn)程度、精確描述系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，因此它也是當(dāng)前ICS信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估的主要研究方向。

    ICS信息安全研究，采用樹、圖等圖形化方式，能夠更加可視化、結(jié)構(gòu)化地進(jìn)行定性/定量（特別是定量方法）風(fēng)險(xiǎn)評估研究，這是當(dāng)前ICS風(fēng)險(xiǎn)評估研究和實(shí)踐的兩個(gè)熱點(diǎn)。根據(jù)具體方法不同，樹、圖等圖形化方法可以從攻擊者、防御者和中立第三方等不同用戶視角可視化、結(jié)構(gòu)化地展示ICS的攻擊路徑、系統(tǒng)漏洞、防御措施和消控措施等，還可以進(jìn)一步進(jìn)行定性或定量風(fēng)險(xiǎn)分析和評價(jià)。最為人熟知的圖形化風(fēng)險(xiǎn)建模和分析方法是攻擊樹（Attack trees）方法，它是一種基于攻擊的、形式化分析系統(tǒng)和子系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的方法。攻擊樹已經(jīng)在各種不同ICS風(fēng)險(xiǎn)評估工作中得以應(yīng)用，例如美國專家使用攻擊樹對SCADA系統(tǒng)進(jìn)行了漏洞分析和測試，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攻擊樹方法極大改進(jìn)了研究人員發(fā)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)新漏洞利用和危害評估的能力。

    4.2　ICS信息安全縱深防御體系

    ICS環(huán)境和傳統(tǒng)IT環(huán)境之間存在著一些關(guān)鍵性的不同之處，如高實(shí)時(shí)性、高可用性、有限的資源、專用的協(xié)議、較長的生命周期等。正是由于這些不同，導(dǎo)致了ICS信息安全問題的復(fù)雜性，僅依賴于單一的安全技術(shù)和解決方案，簡單地將IT信息安全技術(shù)配置到ICS中并不是高效可行的解決方案，必須綜合多種安全技術(shù)，分層分域地部署各種安全防護(hù)措施，才能提升系統(tǒng)的整體防御能力。國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-99明確提出目前工業(yè)控制領(lǐng)域普遍認(rèn)可的安全防御措施要求：將具有相同功能和安全要求的控制設(shè)備劃分到同一區(qū)域，區(qū)域之間執(zhí)行管道通信，通過控制區(qū)域間管道中的通信內(nèi)容來確保ICS信息安全，也就是要建立縱深防御體系。

    建立縱深防御體系有兩個(gè)主要目的：

    （1）即使在某一點(diǎn)發(fā)生信息安全事故，也能保證網(wǎng)絡(luò)的其他區(qū)域正常安全穩(wěn)定運(yùn)行。該防護(hù)目標(biāo)在于當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)局部存在病毒感染或其它不安全因素時(shí)，不會(huì)向其它設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散。

    （2）維護(hù)人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地確認(rèn)故障點(diǎn)，并排除問題。能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的信息安全問題并準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)，是維護(hù)控制系統(tǒng)信息安全的前提。

    一般來說，工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從總體結(jié)構(gòu)上可分為三個(gè)層次：企業(yè)管理層、數(shù)采信息層和控制層。企業(yè)管理層主要是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，一般使用通用以太網(wǎng)通訊，可以從數(shù)采信息層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策；數(shù)采信息層主要是從控制層獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測、報(bào)警和趨勢分析等功能。控制層負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制、數(shù)據(jù)采集等各種功能。系統(tǒng)的每一個(gè)安全漏洞都會(huì)導(dǎo)致不同的后果，所以將它們單獨(dú)隔離防護(hù)十分必要。

    將企業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分成不同的區(qū)域可以幫助企業(yè)有效地建立“縱深防御”體系。結(jié)合ICS的信息安全需要，可以將ICS網(wǎng)絡(luò)劃分為以下不同的安全區(qū)域：企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、過程信息/歷史數(shù)據(jù)區(qū)域、管理/HMI區(qū)域、DCS/PLC控制區(qū)域和第三方控制系統(tǒng)區(qū)域（如安全儀表系統(tǒng)SIS），如圖2所示。

圖2 工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全區(qū)域劃分

    針對企業(yè)流程的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合ICS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于縱深防御體系，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)需要以下五個(gè)層面的安全防護(hù)，如圖3中A、B、C、D、E所示。

圖3 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的縱深防御

    （1）企業(yè)管理層和數(shù)采信息層之間的安全防護(hù)

    這里是IT信息系統(tǒng)與工業(yè)信息系統(tǒng)的分界線，其重要程度不言而喻，所以采取了常規(guī)IT防火墻加上入侵檢測系統(tǒng)（Intrusion Detection System，IDS）的雙重防護(hù)措施。防火墻是第一道防線，串接在網(wǎng)絡(luò)中，只允許兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間合法的數(shù)據(jù)交換，阻擋企業(yè)管理層對數(shù)采信息層的未經(jīng)授權(quán)的非法訪問，同時(shí)也防止管理層網(wǎng)絡(luò)的病毒擴(kuò)散到數(shù)采信息網(wǎng)絡(luò)。IDS置于數(shù)采信息層的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，主動(dòng)收集、分析網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)是否有異常，以防止內(nèi)部攻擊的發(fā)生。

    （2）數(shù)采信息層和控制層之間的安全防護(hù)
 
    數(shù)采信息層與控制層之間要交互大量的設(shè)備機(jī)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，要求較高的通訊帶寬，對此部位的信息安全防護(hù)使用常規(guī)的IT防火墻。加入防火墻，一方面提升了網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分，另一方面保證只有被允許的流量才能通過防火墻。

    （3）關(guān)鍵控制器的安全防護(hù)

    控制器通常使用工業(yè)專用通訊協(xié)議，使用傳統(tǒng)的IT防火墻進(jìn)行防護(hù)時(shí)，不得不開放大規(guī)模范圍內(nèi)的端口號。在這種情況下，防火墻提供的安全保障被降至最低。因此，在控制器的前端應(yīng)安裝專業(yè)的工業(yè)防火墻，才能夠解決該類安全防護(hù)問題。工業(yè)防火墻一方面是對工業(yè)專用通訊協(xié)議的支持，目前主要通過規(guī)則更新的方式進(jìn)行兼容；另一方面，由于ICS對實(shí)時(shí)性要求較高，傳統(tǒng)基于包過濾和應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的IT防火墻技術(shù)無法滿足實(shí)時(shí)性要求，而工業(yè)防火墻采用了類似深度報(bào)文檢測（Deep Packet Inspection，DPI）的技術(shù)，它對封裝在TCP/IP協(xié)議負(fù)載內(nèi)的信息進(jìn)行檢測，然后進(jìn)行識(shí)別、分類，對連接的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)和分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常的流量或連接，就動(dòng)態(tài)生成過濾規(guī)則，在提高準(zhǔn)確率的同時(shí)，也降低了工作負(fù)載。

    （4）隔離工程師站，保護(hù)APC先控站

    考慮到工程師站和APC先控站在項(xiàng)目實(shí)施階段通常需要接入第三方設(shè)備（U盤、筆記本電腦等），而且是在整個(gè)控制系統(tǒng)試運(yùn)行的情況下實(shí)施，受到病毒入侵和攻擊的概率很大，存在較高的信息安全隱患。在工程師站和APC先控站前端增加IT防火墻，可以將工程師站和APC先控站單獨(dú)隔離，防止病毒擴(kuò)散，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

    （5）與第三方控制系統(tǒng)之間的安全防護(hù)

    使用工業(yè)防火墻將SIS安全儀表系統(tǒng)等第三方控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，主要是為了確保兩個(gè)區(qū)域之間數(shù)據(jù)交換的安全，管控通訊數(shù)據(jù)，保證只有合法可信的、經(jīng)過授權(quán)的訪問和通訊才能通過網(wǎng)絡(luò)通信管道。

    5　結(jié)語

    隨著工業(yè)化和信息化的深度融合以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，ICS信息安全的重要性與其普遍存在的安全防護(hù)措施不足的矛盾日漸突出，加強(qiáng)ICS信息安全工作無疑是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。在參考IT信息安全業(yè)內(nèi)的最佳實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合ICS自身的特點(diǎn)，從技術(shù)和管理上雙管齊下，才能切實(shí)提升運(yùn)維部門的管理效率和服務(wù)技能，有效降低ICS所面臨的信息安全問題。


參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

李云峰（1977-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于北京首鋼冷軋薄板有限公司，主要從事冷軋薄板工業(yè)生產(chǎn)信息化技術(shù)管理工作。

暢通（1976-），男，工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于北京首鋼冷軋薄板有限公司，主要負(fù)責(zé)信息化項(xiàng)目、維護(hù)、安全管理工作。