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袁曉舒 桑梓 楊平 中國東方電氣集團中央研究院

摘要：隨著傳統(tǒng)電廠向數(shù)字化電廠的演進，電廠控制系統(tǒng)未來面臨更加復雜的運行環(huán)境，來自網(wǎng)絡的攻擊成為電廠控制系統(tǒng)面臨的新威脅。本文通過對以汽輪機電液調速系統(tǒng)（DEH）為代表的電廠控制系統(tǒng)進行網(wǎng)絡攻擊測試，分析了不同類型的網(wǎng)絡攻擊對控制系統(tǒng)的影響。

關鍵詞：電廠控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡攻擊；漏洞

電廠控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行不僅關系到電廠本身的安全穩(wěn)定運行，也會影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。先進的計算機技術和通信技術讓以集散控制系統(tǒng)（DCS）為代表的電廠控制系統(tǒng)具備了與信息系統(tǒng)互聯(lián)互通的能力，直接或間接實現(xiàn)了外部網(wǎng)絡對物理對象的訪問[2-4]。來自外部的網(wǎng)絡安全攻擊成為影響電廠控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的新威脅。已經(jīng)發(fā)生過的電廠安全事故[5]說明，對電廠控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全攻擊能夠使電廠從電網(wǎng)解列，直接威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并造成嚴重的經(jīng)濟損失。

目前，國內對電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡攻擊方面的研究尚處于起步階段[6-7]。在這個背景下，現(xiàn)有的電廠控制系統(tǒng)能否抵御來自外部網(wǎng)絡的攻擊以及來自外部的網(wǎng)絡攻擊能夠在多大程度上對業(yè)務造成危害是必須回答的兩個問題。因此，通過對實際DCS及其組件的網(wǎng)絡攻擊測試是評估電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡安全攻擊危害的重要途徑。本文通過對多個國內外廠商的電廠控制系統(tǒng)進行網(wǎng)絡攻擊測試，以DEH為對象分析了電廠控制系統(tǒng)在遭遇網(wǎng)絡攻擊時可能對業(yè)務的影響。

1　概述

為了進一步了解網(wǎng)絡攻擊對電廠控制系統(tǒng)的威脅，中國東方電氣集團中央研究院選取了在發(fā)電行業(yè)廣泛應用的國內、外知名的控制系統(tǒng)廠商控制系統(tǒng)產品，搭建了DEH（汽輪機電液調速系統(tǒng)）網(wǎng)絡安全攻擊環(huán)境，進行了初步的研究。

研究采用了SYSFLOOD、UDPFLOOD模擬一般網(wǎng)絡攻擊，MODBUS TCP特殊指令模擬APT攻擊。

2　攻擊測試

2.1　以太網(wǎng)模擬攻擊

測試通過采用專門軟件對DEH的SYSFLOOD、UPDFLOOD攻擊來模擬控制系統(tǒng)遭遇的一般網(wǎng)絡攻擊。

2.1.1　SYSFLOOD攻擊

SYSFLOOD是一種廣為人知的DoS（拒絕服務攻擊）與DDoS（分布式拒絕服務攻擊）的方式之一，這是一種利用TCP協(xié)議缺陷，發(fā)送大量偽造的TCP連接請求，從而使得被攻擊方資源耗盡（CPU滿負荷或內存不足）的攻擊方式。

通過對某廠商控制系統(tǒng)產品進行SYSFLOOD攻擊可以模擬該控制系統(tǒng)在遭遇常見的局域網(wǎng)攻擊時的狀態(tài)。

當采用單臺PC機對該控制系統(tǒng)的一個控制器進行SYSFLOOD攻擊時，在工程師站的觀測軟件上，可以看到被控制器的CPU占用率快速上升，并出現(xiàn)紅色警示。

采用兩臺PC機增加對該控制系統(tǒng)的一個控制器的SYSFLOOD攻擊量后，會使得控制器重啟。通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，當較小的攻擊流量可以使控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信中斷，進而使得電廠監(jiān)控畫面上汽輪機的狀態(tài)參數(shù)不再發(fā)生變化，也就是說，這時控制人員無法通過了解汽輪機的實時運行狀態(tài)，而較大的攻擊流量會使得DEH無法工作，從而造成不能對汽輪機進行正常控制。

2.1.2　UDPFLOOD攻擊

UDPFLOOD是流量型DoS攻擊，原理也很簡單。常見的情況是利用大量UDP小包沖擊DNS服務器或Radius認證服務器、流媒體視頻服務器。100k pps的UDPFlood經(jīng)常將線路上的骨干設備如防火墻打癱，造成整個網(wǎng)段的癱瘓。由于UDP協(xié)議是一種無連接的服務，在UDPFLOOD攻擊中，攻擊者可發(fā)送大量偽造源IP地址的小UDP包。但是，由于UDP協(xié)議是無連接性的，所以只要開了一個UDP的端口提供相關服務的話，那么就可針對相關的服務進行攻擊。

UDPFLOOD攻擊開始后，也在工程師站的觀測軟件上，可以看到被攻擊方的CPU占用率快速上升，并出現(xiàn)紅色警示。在工程師站上執(zhí)行ping命令，測試工程師站與DEH系統(tǒng)是否正常通信，結果工程師站無法ping通DEH。

和SYSFLOOD攻擊不同，UDPFLOOD攻擊只能讓網(wǎng)絡通信中斷，并不能夠對控制器產生實質性的影響，在攻擊過程中，控制器中的控制邏輯始終生效，說明這種攻擊方式不能對汽輪機控制的實際業(yè)務產生影響。

2.1.3　延伸測試

對另一廠商的控制系統(tǒng)同樣進行上述兩項攻擊測試。

SYSFLOOD攻擊開始后，在工程師站的觀測軟件上，DEH系統(tǒng)上出現(xiàn)故障報警。

在工程師站上執(zhí)行ping命令，測試工程師站與DEH系統(tǒng)是否正常通信，結果工程師站無法ping通，如圖1所示。

圖1

UDP Flood攻擊開始后，在工程師站的觀測軟件上，DEH系統(tǒng)上出現(xiàn)報警。

在工程師站上執(zhí)行ping命令，測試工程師站與DEH系統(tǒng)是否正常通信，結果工程師站無法ping通。

2.2　MODBUS TCP攻擊

2.2.1　MODBUS TCP特定功能碼攻擊

采用專門工具可以對某廠商控制系統(tǒng)進行MODBUS TCP攻擊，向DEH發(fā)送29功能碼的數(shù)據(jù)包，如圖2所示。

圖2

攻擊開始后，在工程師站的觀測軟件上，可以看到DEH系統(tǒng)離線，從連接控制器的顯示器上可以看到，DEH系統(tǒng)重啟，如圖3所示。

圖3

2.2.2　MODBUS TCP漏洞攻擊

采用專門工具針對某廠商控制系統(tǒng)的信息安全漏洞發(fā)送特定的MODBUS TCP數(shù)據(jù)包如圖4所示。

圖4

在工程師站的觀測軟件上，可以看到DEH系統(tǒng)的CAN總線通訊中斷。

2.2.3　延伸測試

采用專門工具針對某廠商控制系統(tǒng)的信息安全漏洞對DEH的兩個控制器發(fā)送特定MODBUS TCP數(shù)據(jù)包，會導致兩個控制器都處于離線狀態(tài)，將該DEH的數(shù)字量輸出接到數(shù)字示波器上可以發(fā)現(xiàn)，輸出信號波形圖為一條直線如圖5所示。

更換另一控制系統(tǒng)廠商產品進行測試，可以得到同樣的結果。此時，DEH已經(jīng)無法對汽輪機進行正常控制。

3　總結

多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)缺乏抗網(wǎng)絡安全攻擊的設計，大流量的網(wǎng)絡安全攻擊就可能會導致控制系統(tǒng)無法正常工作，但在小流量情況下控制系統(tǒng)還能夠保持對被控設備的控制。

部分控制系統(tǒng)產品在設計時考慮了信息安全，能夠抵御一般的網(wǎng)絡攻擊，這說明工業(yè)控制系統(tǒng)自身安全性提升能夠起到一定的作用。

工業(yè)控制系統(tǒng)采用的部分協(xié)議自身存在著信息安全風險，特定的功能碼會對控制系統(tǒng)的正常運行產生影響。

圖5

工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全漏洞被利用會導致控制系統(tǒng)不能正常工作進而失去對被控設備的控制，部分漏洞還可能導致攻擊者實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的利用。

電廠的控制系統(tǒng)內部也應加強信息安全防御，以避免控制系統(tǒng)遭遇網(wǎng)絡攻擊后失去對發(fā)電設備的控制能力。

作者簡介

袁曉舒（1973-），男，江西余干人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國東方電氣集團中央研究院。曾在中科網(wǎng)威、億陽信通、浪潮集團等公司從事信息安全工作，先后擔任入侵檢測、防火墻、4A等產品的產品經(jīng)理和技術部經(jīng)理。后加入東方電氣中央研究院研究工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全，先后擔任企業(yè)、省和國家多個工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全科研項目負責人，目前正專注于電力系統(tǒng)發(fā)電側的控制系統(tǒng)信息安全研究。

參考文獻：

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摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》專刊第三輯