工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題及解決方案分析

工業(yè)控制系統(tǒng)在過程生產、電力設施、水力油氣和運輸?shù)阮I域有著廣泛的應用。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全性主要依賴于其技術的隱秘性，幾乎未采取任何安全措施。隨著企業(yè)管理層對生產過程數(shù)據(jù)的日益關注，工業(yè)控制系統(tǒng)越來越多地采用開放lnternet技術實現(xiàn)與企業(yè)網的互連。目前，大多數(shù)工業(yè)通信系統(tǒng)在商用操作系統(tǒng)的基礎上開發(fā)協(xié)議，通信應用中存在很多漏洞。在工業(yè)控制系統(tǒng)與Internet或其他公共網絡互連時，這些漏洞將會暴露給潛在攻擊者。此外，工業(yè)控制系統(tǒng)多用于控制關鍵基礎措施，攻擊者出于政治目的或經濟目的會主動向其發(fā)起攻擊，以期造成嚴重后果。例如，2010年，“震網”病毒席卷全球，伊朗布什爾核電站因遭此攻擊延期運行。因此，近年來，工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題成為一個廣泛關注的熱點問題。

本文主要首先結合工業(yè)控制系統(tǒng)的特點，分析控制系統(tǒng)的要求及其面臨的威脅和攻擊，其次結合相關標準，從網絡防護角度介紹了目前的信息安全解決思路，并介紹了相關的研究趨勢，包括安全通信協(xié)議和安全控制器。

1、工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全分析

1.1工業(yè)控制系統(tǒng)概述

工業(yè)控制系統(tǒng)是以計算機為基本組件，用于監(jiān)測和控制物理過程的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)包含了大部分網絡系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接的網絡化系統(tǒng)。根據(jù)其應用范圍，控制系統(tǒng)又可分為過程控制系統(tǒng)(PCS)，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，或網絡一物理系統(tǒng)(CPS)。

控制系統(tǒng)通常由一系列網絡設備構成，包括：傳感器、執(zhí)行器、過程控制單元和通信設備?？刂葡到y(tǒng)通常采用分層結構，典型的控制系統(tǒng)網絡結構如圖1所示，第一層為安裝有傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場設備的物理設施，現(xiàn)場設備通過現(xiàn)場總線網絡與可編程邏輯控制器(PLC)或遠程終端設備(RTU)連接，PLC或RTU設備負責實現(xiàn)局域控制功能。第二層為控制網絡，主要負責過程控制器和操作員站之間的實時數(shù)據(jù)傳輸。操作員站用于區(qū)域監(jiān)控和設置物理設施的設定值。第三層為企業(yè)網，企業(yè)工作站負責生產控制，過程優(yōu)化和過程日志記錄。

根據(jù)控制系統(tǒng)的應用特性，可以分為安全相關的應用和非安全相關的應用。安全相關的應用一旦失效，可能會造成受控制的物理系統(tǒng)發(fā)生不可恢復的破壞。如果這類控制系統(tǒng)遭受破壞，將會對公共健康和安全產生重大影響，并導致經濟損失。

1.2工業(yè)控制系統(tǒng)的安全要求

傳統(tǒng)IT信息安全的技術相對成熟，但由于其應用場景與控制系統(tǒng)存在許多不同之處，因此，不能直接應用于控制系統(tǒng)的信息安全保護。本節(jié)主要針對控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)IT信息安全的區(qū)別，分析控制系統(tǒng)信息安全的特有屬性，并提出控制系統(tǒng)面臨的新的挑戰(zhàn)。

控制系統(tǒng)的特點之一在于對可用性的要求。因此，傳統(tǒng)信息安全的軟件補丁方式和系統(tǒng)更新頻率對于控制系統(tǒng)不再適用。例如，控制系統(tǒng)的系統(tǒng)升級需要提前幾個月進行計劃，并且更新時需要將系統(tǒng)設為離線狀態(tài)。而且，在工業(yè)應用環(huán)境下，停機更新系統(tǒng)的經濟成本很高。此外，有些系統(tǒng)補丁還可能違反控制系統(tǒng)的規(guī)則設定。例如，2008年3月7日，某核電站突然停機，原因是系統(tǒng)中的一臺監(jiān)視工廠數(shù)據(jù)的計算機在軟件更新后重啟。計算機重啟后將控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)重置為默認值，導致安全系統(tǒng)認為用于給核燃料棒降溫的水溫下降。

控制系統(tǒng)的另一個特點在于對實時性的要求川。控制系統(tǒng)的主要任務是對生產過程自動做出實時的判斷與決策。盡管傳統(tǒng)信息安全對可用性的研究很多，但實時可用性需要提供更為嚴格的操作環(huán)境。例如，傳統(tǒng)IT系統(tǒng)中經常采用握手協(xié)議和加密等措施增強安全性，而在控制系統(tǒng)中，增加安全措施可能會嚴重影響系統(tǒng)的響應能力，因此不能將傳統(tǒng)信息安全技術直接應用于控制系統(tǒng)中。為了保證控制系統(tǒng)具備更強的安全性，控制網絡需要實現(xiàn)相關安全機制和標準，這就要求網絡滿足一定的性能要求。

除了以上兩個特點，控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)IT信息系統(tǒng)的最大區(qū)別在于控制系統(tǒng)與物理世界存在交互關系。總的說來，信息安全中的許多技術措施和設計準則相對成熟，如認證，訪問控制，消息完整性，最小權限等。利用這些成熟的技術可以幫助我們防御針對控制系統(tǒng)的攻擊。但是，計算機安全主要考慮信息的保護，對于攻擊如何影響物理世界并沒有研究。而且，工業(yè)控制系統(tǒng)的資源有限，生命周期長，不能直接移植傳統(tǒng)IT的信息安全技術。因此，雖然目前的信息安全工具可以為控制系統(tǒng)提供必要的防御機制，但僅僅依靠這些機制，無法為控制系統(tǒng)提供充分的深度保護。

當然，與傳統(tǒng)IT系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)也存在更易操作的特點，為設計系統(tǒng)安全機制提供了便利?？刂葡到y(tǒng)的網絡動態(tài)特性更為簡單，具有服務器變動少、網絡拓撲固定、用戶人群固定、通信類型固定、使用的通信協(xié)議少等特點。

1.3工業(yè)控制系統(tǒng)的威脅

工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的威脅可以分為兩種：系統(tǒng)相關的威脅和過程相關的威脅。典型的系統(tǒng)相關威脅和過程相關威脅如表1所示。

系統(tǒng)相關的威脅是指由于軟件漏洞所造成的威脅?？刂葡到y(tǒng)從廣義上是一種信息系統(tǒng)，會受到系統(tǒng)相關的威脅，如協(xié)議實現(xiàn)漏洞、操作系統(tǒng)漏洞等。在控制系統(tǒng)安全項目CCSP2009報告中，通過CSSP安全評估，將一般控制系統(tǒng)的系統(tǒng)相關威脅分為九種類型。表2列舉了這九種安全問題。

過程相關的威脅是指工業(yè)控制系統(tǒng)在生產過程遭受的攻擊。這種攻擊利用過程控制的特點，攻擊者非法獲取用戶訪問權限后，發(fā)布合法的工業(yè)控制系統(tǒng)命令，導致工業(yè)過程的故障?；诠I(yè)控制系統(tǒng)用戶與工業(yè)過程的交互點，可以將過程相關的威脅分為兩類：①影響現(xiàn)場設備的訪問控制的威脅;②影響中央控制臺的威脅。前者通常發(fā)送錯誤的現(xiàn)場數(shù)據(jù)到控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測中心，從而導致系統(tǒng)狀態(tài)分析出現(xiàn)錯誤。后者通常在中央控制臺執(zhí)行合法的命令，但該命令對生產過程而言不合理，將對生產或設備產生負面影響。

控制系統(tǒng)的漏洞一旦被攻擊者利用，會遭受不同類型的攻擊，具體的攻擊形式可以分為：

1)欺騙攻擊：在通信過程中偽裝成某個合法設備。例如，使用一個偽造的網絡源地址。

2)拒絕式服務攻擊：系統(tǒng)中任意資源的不可用。例如，設備因忙于應答大量的惡意流量而無法響應其他消息等。

3)中間人攻擊：攻擊者從通信的一端攔截所有消息，修改消息后再轉發(fā)到終端接收設備。

4)重播攻擊：重復發(fā)送某個過時的消息，如用戶認證或命令等。