工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)

　　一、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全概述

　　通常情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)安全可以分成三個(gè)方面，即功能安全、物理安全和信息安全。

　　功能安全是為了達(dá)到設(shè)備和工廠安全功能，受保護(hù)的、和控制設(shè)備的安全相關(guān)部分必須正確執(zhí)行其功能，而且當(dāng)失效或故障發(fā)生時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)必須仍能保持安全條件或進(jìn)入到安全狀態(tài)。

　　物理安全是減少由于電擊、火災(zāi)、輻射、機(jī)械危險(xiǎn)、化學(xué)危險(xiǎn)等因素造成的危害。

　　在IEC62443中針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的定義是：“保護(hù)系統(tǒng)所采取的措施；由建立和維護(hù)保護(hù)系統(tǒng)的措施所得到的系統(tǒng)狀態(tài)；能夠免于對(duì)系統(tǒng)資源的非授權(quán)訪問(wèn)和非授權(quán)或意外的變更、破壞或者損失；基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力，能夠保證非授權(quán)人員和系統(tǒng)既無(wú)法修改軟件及其數(shù)據(jù)也無(wú)法訪問(wèn)系統(tǒng)功能，卻保證授權(quán)人員和系統(tǒng)不被阻止；防止對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的非法或有害入侵，或者干擾其正確和計(jì)劃的操作。”工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全不僅可能造成信息的丟失，還可能造成工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)故障的發(fā)生，從而造成人員損害及設(shè)備損壞，其直接財(cái)產(chǎn)的損失是巨大的，甚至有可能引起環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題。

　　三種安全在定義和內(nèi)涵上有很大的差別。

　　功能安全，使用安全完整性等級(jí)的概念已有近20年。功能安全規(guī)范要求通常將一個(gè)部件或系統(tǒng)的安全表示為單個(gè)數(shù)字，而這個(gè)數(shù)字是為了保障人員健康、生產(chǎn)安全和環(huán)境安全而提出的基于該部件或系統(tǒng)失效率的保護(hù)因子。

　　物理安全，保護(hù)要素主要由一系列安全生產(chǎn)操作規(guī)范定義。政府、企業(yè)及行業(yè)組織等一般通過(guò)完備的安全生產(chǎn)操作流程約束工業(yè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)操作的標(biāo)準(zhǔn)性，確保事故的可追溯性，并可以明確有關(guān)人員的責(zé)任，管理和制度因素是保護(hù)物理安全的主要方式。

　　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的評(píng)估方法與功能安全的評(píng)估有所不同。雖然都是保障人員健康、生產(chǎn)安全或環(huán)境安全，但是功能安全使用安全完整性等級(jí)是基于隨機(jī)硬件失效的一個(gè)部件或系統(tǒng)失效的可能性計(jì)算得出的，而信息安全系統(tǒng)有著更為廣闊的應(yīng)用，以及更多可能的誘因和后果。影響信息安全的因數(shù)非常復(fù)雜，很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字描述出來(lái)。然而，功能安全的全生命周期安全理念同樣適用于信息安全，信息安全的管理和維護(hù)也必須是周而復(fù)始不斷進(jìn)行的。

　　二、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息安全的區(qū)別

　　1.兩種網(wǎng)絡(luò)的信息安全特點(diǎn)對(duì)比

　　通過(guò)結(jié)合前期一些項(xiàng)目研究工作經(jīng)歷及相關(guān)研究結(jié)論，現(xiàn)總結(jié)出一些先前所認(rèn)識(shí)到的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全與傳統(tǒng)的IP信息網(wǎng)絡(luò)安全的區(qū)別，并提出工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全必須解決的新問(wèn)題。

　　1）安全需求不同

　　2）安全補(bǔ)丁與升級(jí)機(jī)制存在的區(qū)別

　　3）實(shí)時(shí)性方面的差異

　　4）安全保護(hù)優(yōu)先級(jí)方面的差異

　　5）安全防護(hù)技術(shù)適應(yīng)性方面的差異

　　2.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全面臨的挑戰(zhàn)

　　上文論述的這些區(qū)別都是重要的，控制系統(tǒng)相對(duì)于其他IT系統(tǒng)的主要區(qū)別是控制系統(tǒng)與物理世界的相互作用。

　　總體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)IP信息網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的技術(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（認(rèn)證，訪問(wèn)控制，信息完整性，特權(quán)分離等），這些能夠幫助我們阻止和響應(yīng)針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的攻擊。然而，傳統(tǒng)意義上講，計(jì)算機(jī)信息安全研究關(guān)注于信息的保護(hù)；研究人員不會(huì)考慮攻擊是如何影響評(píng)估和控制算法，最終，攻擊是如何影響物理世界的。

　　當(dāng)前已有的各種信息安全工具，能夠?qū)�控制系統(tǒng)安全給予必要機(jī)制，這些單獨(dú)的機(jī)制對(duì)于深度防護(hù)控制是不夠的。

　　通過(guò)深入理解控制系統(tǒng)與真實(shí)物理世界的交互過(guò)程，研究人員在未來(lái)需要開(kāi)展的工作可能是：

　　1）更好地理解攻擊的后果：到目前為止，沒(méi)有深入研究攻擊者獲得非授權(quán)訪問(wèn)一些控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后將造成的危害。

　　2）設(shè)計(jì)全新的攻擊檢測(cè)算法：通過(guò)理解物理過(guò)程應(yīng)有的控制行為，并基于過(guò)程控制命令和傳感器測(cè)量，能夠識(shí)別攻擊者是否試圖干擾控制或傳感器的數(shù)據(jù)。

　　3）設(shè)計(jì)新的抗攻擊彈性算法和架構(gòu)：如果檢測(cè)到一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)攻擊行為，能夠適時(shí)改變控制命令，用于增加控制系統(tǒng)的彈性，減少損失。

　　4）設(shè)計(jì)適合工業(yè)SCADA系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的身份認(rèn)證與密碼技術(shù)：目前一些成熟的、復(fù)雜的、健壯的密碼技術(shù)通常不能在工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成訪問(wèn)控制功能，主要原因在于過(guò)于復(fù)雜的密碼機(jī)制可能隱藏在緊急情況下妨礙應(yīng)急處理程序快速響應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的專家一般認(rèn)為相對(duì)較弱的密碼機(jī)制（如缺省密碼、固定密碼甚至空口令等），比較容易在緊急情況下進(jìn)行猜測(cè)、傳送等，進(jìn)而不會(huì)對(duì)應(yīng)急處理程序本身產(chǎn)生額外影響。

　　5）開(kāi)發(fā)硬件兼容能力更強(qiáng)的工業(yè)SCADA系統(tǒng)安全防護(hù)技術(shù)：傳統(tǒng)IT數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中安全防護(hù)能力較強(qiáng)的技術(shù)如身份認(rèn)證、鑒別、加密、入侵檢測(cè)和訪問(wèn)控制技術(shù)等普遍強(qiáng)調(diào)占用更多的網(wǎng)絡(luò)帶寬、處理器性能和內(nèi)存資源，而這些資源在工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備中十分有限，工業(yè)控制設(shè)備最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成特定現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)任務(wù)，它們一般是低成本、低處理器效能的設(shè)備。而且，在石油、供水等能源工業(yè)系統(tǒng)控制裝置中仍然在使用一些很陳舊的處理器（如1978年出廠的Intel8088處理器）。因此，在這類裝置中部署主流的信息安全防護(hù)技術(shù)而又不顯著降低工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的性能具有一定難度。

　　6）研制兼容多種操作系統(tǒng)或軟件平臺(tái)的安全防護(hù)技術(shù)：傳統(tǒng)IT數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的信息安全技術(shù)機(jī)制，主要解決以Windows、Linux、Unix等通用型操作系統(tǒng)平臺(tái)上的信息安全問(wèn)題。而在工業(yè)SCADA系統(tǒng)領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)SCADA系統(tǒng)裝置一般使用設(shè)備供應(yīng)商（ABB、西門子、霍尼韋爾等）獨(dú)立研發(fā)的、非公開(kāi)的操作系統(tǒng)（有時(shí)稱為固件）、專用軟件平臺(tái)（如GE的iFix等）完成特定的工業(yè)過(guò)程控制功能。因此，如何在非通用操作系統(tǒng)及軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)、部署甚至升級(jí)信息安全防護(hù)技術(shù)，是工業(yè)SCADA系統(tǒng)信息安全未來(lái)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

　　三、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)技術(shù)體系

　　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全內(nèi)涵、需求和目標(biāo)特性，決定了需要一些特殊的信息安全技術(shù)、措施，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的IED、PLC、RTU、控制器、通信處理機(jī)、SCADA系統(tǒng)和各種實(shí)際的、各種類型的可編程數(shù)字化設(shè)備中使用或配置，達(dá)到保障工業(yè)控制系統(tǒng)生產(chǎn)、控制與管理的安全功能目標(biāo)。所有自動(dòng)控制系統(tǒng)信息安全的基礎(chǔ)技術(shù)是訪問(wèn)控制和用戶身份認(rèn)證，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一些通過(guò)探針、信道加密、數(shù)據(jù)包核查和認(rèn)證等手段保護(hù)通信數(shù)據(jù)報(bào)文安全的技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)功能安全前提下的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全，需要構(gòu)筑工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全事前、事中和事后的全面管理、整體安全的防護(hù)技術(shù)體系。

　　1）事前防御技術(shù)

　　事前防御技術(shù)是工業(yè)控制信息安全防護(hù)技術(shù)體系中較為重要的部分，目前有很多成熟的基礎(chǔ)技術(shù)可以利用：

　　訪問(wèn)控制/工業(yè)控制專用防火墻

　　身份認(rèn)證

　　ID設(shè)備

　　基于生物特征的鑒別技術(shù)

　　安全的調(diào)制解調(diào)器

　　加密技術(shù)

　　公共密鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）

　　虛擬局域網(wǎng)（VPN）

　　2）事中響應(yīng)技術(shù)

　　入侵檢測(cè)（IDS）技術(shù)對(duì)于識(shí)別內(nèi)部的錯(cuò)誤操作和外部攻擊者嘗試獲得內(nèi)部訪問(wèn)權(quán)限的攻擊行為是非常有效的。它能夠檢測(cè)和識(shí)別出內(nèi)部或外部用戶破壞網(wǎng)絡(luò)的意圖。IDS有兩種常見(jiàn)的形式：數(shù)字簽名檢測(cè)系統(tǒng)和不規(guī)則檢測(cè)系統(tǒng)。入侵者常常通過(guò)攻擊數(shù)字簽名，從而獲得進(jìn)入系統(tǒng)的權(quán)限或破壞網(wǎng)絡(luò)的完整性。數(shù)字簽名檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)將現(xiàn)在的攻擊特性與已知攻擊特性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)選擇的靈敏程度，最終確定比對(duì)結(jié)果。然后，根據(jù)比對(duì)結(jié)果，確定攻擊行為的發(fā)生，從而阻斷攻擊行為并且通報(bào)系統(tǒng)管理員當(dāng)前系統(tǒng)正在遭受到攻擊。不規(guī)則檢測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)比正在運(yùn)行的系統(tǒng)行為和正常系統(tǒng)行為之間的差異，確定入侵行為的發(fā)生且向系統(tǒng)管理員報(bào)警。例如，IDS能夠檢測(cè)在午夜時(shí)分系統(tǒng)不正常的活躍性或者外部網(wǎng)絡(luò)大量訪問(wèn)某I/O端口等。當(dāng)不正常的活動(dòng)發(fā)生時(shí)，IDS能夠阻斷攻擊并且提醒系統(tǒng)管理員。

　　以上兩種IDS系統(tǒng)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是，它們都有一個(gè)相同的問(wèn)題—如何設(shè)置檢測(cè)靈敏度。高靈敏度會(huì)造成錯(cuò)誤的入侵報(bào)警，IDS會(huì)對(duì)每個(gè)入侵警報(bào)作相應(yīng)的系統(tǒng)動(dòng)作，因此，過(guò)多的錯(cuò)誤入侵警報(bào)，不僅會(huì)破壞正常系統(tǒng)的某些必須的功能，而且還會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成大量額外的負(fù)擔(dān)。而低靈敏度會(huì)使IDS不能檢測(cè)到某些入侵行為的發(fā)生，因此IDS會(huì)對(duì)一些入侵行為視而不見(jiàn)，從而使入侵者成功進(jìn)入系統(tǒng)，造成不可預(yù)期的損失。

　　3）事后取證技術(shù)

　　審計(jì)日志機(jī)制是對(duì)合法的和非合法的用戶的認(rèn)證信息和其他特征信息進(jìn)行記錄的文件，是工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全主要的事后取證技術(shù)之一。因此，針對(duì)每個(gè)對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)及其相關(guān)操作均需要被記錄在案。當(dāng)診斷和審核網(wǎng)絡(luò)電子入侵是否發(fā)生時(shí)，審計(jì)日記是必不可少的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。此外，系統(tǒng)行為記錄也是工業(yè)SCADA系統(tǒng)信息安全的常用技術(shù)。

　　上述討論的是在工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全中一些常用的、常規(guī)性技術(shù)，而在工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全實(shí)施過(guò)程中，主要有以下一些特別的關(guān)鍵技術(shù)。

　　四、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全發(fā)展趨勢(shì)

　　在“兩化”深度融合的發(fā)展背景下，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全問(wèn)題也隨之而來(lái)。世界范圍內(nèi)繼“震網(wǎng)”病毒事件后又接連發(fā)生的幾起重大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全事件，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全推向了一個(gè)新的高度。如何防微杜漸，防止工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件的再次發(fā)生，在重點(diǎn)能源企業(yè)構(gòu)筑安全的工業(yè)控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為政府和企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　“震網(wǎng)”病毒事件為全球關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施核心要害系統(tǒng)安全問(wèn)題敲響了警鐘。分析工業(yè)控制系統(tǒng)所遭受的漏洞和攻擊，可以看出工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞攻擊正向著簡(jiǎn)單控制器受攻擊增大、利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行攻擊、專業(yè)攻擊人員進(jìn)行攻擊、利用病毒進(jìn)行攻擊、工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞挖掘與發(fā)布同時(shí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)發(fā)展。當(dāng)前，美國(guó)和歐盟都從國(guó)家戰(zhàn)略的層面在開(kāi)展各方面的工作，積極研究工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的應(yīng)對(duì)策略。我國(guó)也在政策層面和研究層面積極開(kāi)展工作，但我國(guó)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全工作起步晚，總體上技術(shù)研究尚屬起步階段，管理制度不健全，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善，技術(shù)防護(hù)措施不到位，安全防護(hù)能力和應(yīng)急處理能力不高，這些問(wèn)題都威脅著工業(yè)生產(chǎn)安全和社會(huì)正常運(yùn)作。因此，整合各方面優(yōu)勢(shì)資源，促進(jìn)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)的形成，是未來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全發(fā)展的基本趨勢(shì)。

　　另一方面，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)的發(fā)展，將隨著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展而不斷演化。目前自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)就是數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和人機(jī)交互人性化。同時(shí)將更多的IT技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)字控制中。工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)未來(lái)也將進(jìn)一步借助傳統(tǒng)IT技術(shù)，使其更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，成為控制系統(tǒng)的不可缺少的一部分。與傳統(tǒng)IP互聯(lián)網(wǎng)的信息安全產(chǎn)品研發(fā)路線類似，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)品將在信息安全與工業(yè)生產(chǎn)控制之間找到契合點(diǎn)，形成工業(yè)控制系統(tǒng)特色鮮明的安全輸入、安全控制、安全輸出類產(chǎn)品體系。值得指出的是，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全認(rèn)識(shí)和相關(guān)技術(shù)的不斷深化，必將產(chǎn)生一系列與工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境緊密聯(lián)系，特色鮮明的工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)工具、設(shè)備及系統(tǒng)。

 �。ㄖ袊�(guó)電子科技集團(tuán)公司信息安全首席專家，第三十研究所副總工程師　饒志宏）