呂建民 北京康拓科技有限公司

摘要：信息化與工業(yè)化深度融合是我國實(shí)施制造強國戰略行動(dòng)綱領(lǐng)《中國制造2025》的戰略任務(wù)和重點(diǎn)之一，隨著(zhù)兩化深度融合的快速推進(jìn)，工業(yè)控制系統正面臨著(zhù)前所未有的信息安全威脅。文章基于工業(yè)控制系統層次結構以及工業(yè)安全事件信息庫RISI統計的工業(yè)控制系統安全事件，對國內外工業(yè)控制系統信息安全問(wèn)題現狀做了詳細闡述和分析，總結了國內外工業(yè)控制系統信息安全相關(guān)措施及未來(lái)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制系統；信息安全；兩化融合；RISI

1　引言

工業(yè)控制系統（ICS）是包括監控和數據采集系統（SCADA）、分布控制系統（DCS）等多種類(lèi)型控制系統的總稱(chēng)[1]。隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，尤其是工業(yè)化和信息化的深度融合以及物聯(lián)網(wǎng)的快速推進(jìn)，現代工業(yè)控制系統已經(jīng)成為電力、石油化工、核工業(yè)、航空航天、鐵路、水處理等國家關(guān)鍵基礎設施領(lǐng)域的核心控制系統、中樞神經(jīng)。與此同時(shí)，隨著(zhù)企業(yè)管理層對生產(chǎn)過(guò)程數據的日益關(guān)注，工業(yè)控制系統廣泛采用通用軟硬件和網(wǎng)絡(luò )設施，以及與企業(yè)管理信息系統的集成，傳統信息網(wǎng)絡(luò )所面臨的病毒、木馬、入侵攻擊、拒絕服務(wù)等安全威脅已經(jīng)逐步向工業(yè)控制系統擴散，工業(yè)控制系統固有漏洞和攻擊面日益增加，另外，工業(yè)控制系統漏洞發(fā)現、攻擊技術(shù)和攻擊人員能力正不斷增強，工業(yè)控制系統信息安全形勢越發(fā)嚴峻。本文在分析工業(yè)控制系統層次結構及安全因素的基礎上，結合典型工業(yè)控制系統安全事件，對該領(lǐng)域的現狀及未來(lái)發(fā)展趨勢做出了詳細闡述和分析。

2　工業(yè)控制系統層次結構

目前，典型的工業(yè)控制系統層次結構可分為三層：企業(yè)管理層、數據信息層和現場(chǎng)設備層，如圖1所示。企業(yè)管理層主要是辦公自動(dòng)化系統，一般使用通用以太網(wǎng)，可以從數據信息層提取有關(guān)生產(chǎn)數據用于制定綜合管理決策。數據信息層主要是從現場(chǎng)層獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能?，F場(chǎng)設備層負責通過(guò)組態(tài)設汁，完成工業(yè)現場(chǎng)的數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能[2]。

圖1 工業(yè)控制系統層次結構圖

現代工業(yè)控制系統網(wǎng)絡(luò )中大量采用通用TCP/IP技術(shù)，ICS網(wǎng)絡(luò )和企業(yè)管理網(wǎng)的聯(lián)系越來(lái)越緊密。另一方面，傳統工業(yè)控制系統采用專(zhuān)用的硬件、軟件和通信協(xié)議，設計上基本沒(méi)有考慮互聯(lián)互通所必須考慮的通信安全問(wèn)題。從工業(yè)控制系統的層次結構看，公用網(wǎng)絡(luò )連接處均是安全威脅的切入點(diǎn)，傳統工業(yè)控制系統普遍缺乏有效的工業(yè)安全防御及數據通信保密措施。特別是隨著(zhù)信息化的推動(dòng)和工業(yè)化進(jìn)程的加速，越來(lái)越多的計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于工業(yè)控制系統，在為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大推動(dòng)作用的同時(shí)也帶來(lái)了諸如木馬、病毒、網(wǎng)絡(luò )攻擊等安全問(wèn)題。企業(yè)管理網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)的防護功能都很弱或者甚至幾乎沒(méi)有隔離功能，因此在工控系統開(kāi)放的同時(shí)，也減弱了控制系統與外界的隔離，工控系統的安全隱患問(wèn)題日益嚴峻。

3　工業(yè)控制系統信息安全現狀

3.1　現狀分析

根據工業(yè)安全事件信息庫RISI（Repository of Industrial Security Incidents）的統計，截止2011年，全球已發(fā)生200余起針對工業(yè)控制系統的重大攻擊事件，尤其在2000年之后，隨著(zhù)通用協(xié)議、通用硬件、通用軟件在工業(yè)控制系統中的應用，對過(guò)程控制和數據采集監控系統的攻擊增長(cháng)了近10倍[3]。

針對工業(yè)控制系統的攻擊主要威脅其物理安全、功能安全和系統信息安全，以達到直接破壞控制器、通信設備，篡改工業(yè)參數指令或入侵系統破壞生產(chǎn)設備和生產(chǎn)工藝、獲取商業(yè)信息等目的。

對于工業(yè)控制系統破壞主要來(lái)自于對工控系統的非法入侵，目前此類(lèi)事件已頻繁發(fā)生在電力、水利、交通、核能、制造業(yè)等領(lǐng)域，給相關(guān)企業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失，甚至威脅國家的戰略安全。以下是各行業(yè)典型的工業(yè)控制系統（ICS）遭入侵事件。

2000年，黑客在加斯普羅姆（Gazprom）公司（俄羅斯國營(yíng)天然氣工業(yè)股份公司）內部人員的幫助下突破了該公司的安全防護網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)木馬程序修改了底層控制指令，致使該公司的天然氣流量輸出一度控制在外部用戶(hù)手中，對企業(yè)和國家造成了巨大的經(jīng)濟損失。

2000年3月，澳大利亞昆士蘭新建的Maroochy污水處理廠(chǎng)出現故障，無(wú)線(xiàn)連接信號丟失，污水泵工作異常，控制系統被一位前工程師通過(guò)一臺手提電腦和一個(gè)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器侵入，控制了150個(gè)污水泵站，前后三個(gè)多月，總計有100萬(wàn)公升的污水未經(jīng)處理直接經(jīng)雨水渠排入自然水系，導致當地環(huán)境受到嚴重破壞。

2003年，美國俄亥俄州的戴維斯-貝斯（Davis Besse）核電站進(jìn)行維修時(shí)，由于施工商在進(jìn)行常規維護時(shí)，自行搭接對外連接線(xiàn)路，以方便工程師在廠(chǎng)外進(jìn)行維護工作，結果當私人電腦接入核電站網(wǎng)絡(luò )時(shí)，將電腦上攜帶的SQL Server蠕蟲(chóng)病毒傳入核電站網(wǎng)絡(luò )，致使核電站的控制網(wǎng)絡(luò )全面癱瘓，系統停機將近5小時(shí)。

2005年，13家美國汽車(chē)廠(chǎng)（尤其是佳士拿汽車(chē)工廠(chǎng)）由于被蠕蟲(chóng)感染而被迫關(guān)閉，50000名生產(chǎn)工人被迫停止工作，直接經(jīng)濟損失超過(guò)140萬(wàn)美元[3]。

2006年8月，美國B(niǎo)rowns Ferry核電站，因其控制網(wǎng)絡(luò )上的通信信息過(guò)載，導致控制水循環(huán)系統的驅動(dòng)器失效，使反應堆處于“高功率，低流量”的危險狀態(tài)，核電站工作人員不得不全部撤離，直接經(jīng)濟損失達數百萬(wàn)美元。

2007年，攻擊者入侵加拿大的一個(gè)水利SCADA控制系統，通過(guò)安裝惡意軟件破壞了用于控制薩克拉門(mén)托河河水調度的控制計算機系統。

2008年，攻擊者入侵波蘭羅茲（LodZ）市的城市鐵路系統，用一個(gè)電視遙控器改變了軌道扳道器的運行，導致四節車(chē)廂脫軌。

2010年6月，德國安全專(zhuān)家發(fā)現可攻擊工業(yè)控制系統的Suxnet病毒，截止9月底，該病毒感染了全球超過(guò)45000個(gè)網(wǎng)絡(luò )，其中伊朗最為嚴重，直接造成其核電站推遲發(fā)電。

我國同樣遭受著(zhù)工業(yè)控制系統信息安全漏洞的困擾，比如2010年齊魯石化、2011年大慶石化煉油廠(chǎng)，某裝置控制系統分別感染Conficker病毒，都造成控制系統服務(wù)器與控制器通訊不同程度的中斷[5]。

通過(guò)相關(guān)工控事件案例分析可以發(fā)現，導致工業(yè)控制系統安全問(wèn)題日益加劇的原因有以下幾點(diǎn)。

（1）工業(yè)控制系統自身有漏洞、防護措施薄弱

工業(yè)控制系統的設計開(kāi)發(fā)并未將系統防護、數據保密等安全指標納入其中，另外，工業(yè)控制系統使用的現場(chǎng)控制設備中大量使用了標準的信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)或產(chǎn)品。這些技術(shù)和產(chǎn)品并沒(méi)有針對工控系統的應用環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化和專(zhuān)門(mén)設計，導致為工控系統引入了大量的漏洞。經(jīng)統計，相關(guān)廠(chǎng)商設備漏洞中，羅克韋爾自動(dòng)化公司相關(guān)設備高危漏洞4個(gè)，西門(mén)子公司相關(guān)設備高危漏洞7個(gè)，橫河公司相關(guān)設備高危漏洞6個(gè)。Windows XP操作系統截至SP3補丁更新時(shí)高危漏洞239個(gè)，在2014年4月8日停止服務(wù)支持后，發(fā)現的高危漏洞為119個(gè)，共計358個(gè)[5]。

很多企業(yè)中，由于工業(yè)控制系統類(lèi)型多樣化，安全管理意識和職責不明確，導致網(wǎng)絡(luò )間的數據傳輸和授權管理未實(shí)施明確的安全策略。另一方面企業(yè)管理層連接互聯(lián)網(wǎng)，從而導致互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)可以利用企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò )系統的漏洞，對工業(yè)控制系統運行帶來(lái)造成重大安全隱患。經(jīng)統計，工控系統遭入侵的方式多樣，其入侵途徑以透過(guò)企業(yè)廣域網(wǎng)及商用網(wǎng)絡(luò )方式為主，除此之外還包括通過(guò)工控系統與因特網(wǎng)的直接連接等方式。

（2）終端安全管理問(wèn)題突出

工業(yè)控制終端具有遠程維護或診斷功能，但不具有嚴格的安全措施，可能導致系統的非授權訪(fǎng)問(wèn)。同時(shí)移動(dòng)終端自身的安全問(wèn)題（如病毒、木馬等惡意程序），也可能感染整個(gè)系統。

（3）入侵、攻擊手段的隱蔽

大多對工業(yè)控制系統的入侵和攻擊手段極為隱蔽、木馬和蠕蟲(chóng)病毒的潛伏周期較長(cháng)，待發(fā)現時(shí)已對企業(yè)國家造成嚴重損失。據金山網(wǎng)絡(luò )安全事業(yè)部的統計報告顯示，一般的防御機制需要2個(gè)月的時(shí)間才能確認針對工業(yè)控制系統的攻擊行為，對于更為隱蔽的Stunet及Duqu病毒，則需要長(cháng)達半年之久。

3.2　應對情況

自Stuxnet病毒爆發(fā)以來(lái)，工業(yè)控制系統的安全就成為各國所關(guān)注的焦點(diǎn)。工控系統信息安全成為新的關(guān)注點(diǎn)主要有兩個(gè)方面的原因：一方面，過(guò)去的工業(yè)控制系統是使用專(zhuān)業(yè)的系統、專(zhuān)業(yè)的隊伍、專(zhuān)業(yè)的設備，只有小范圍人群了解和掌握。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，很多專(zhuān)業(yè)的系統實(shí)現了通用化，現在的工控系統開(kāi)始在通用技術(shù)的基礎上做專(zhuān)業(yè)的系統設計，如操作系統、數據庫軟件、通訊協(xié)議等計算機通用產(chǎn)品和協(xié)議，這樣一來(lái)，存在于計算機信息系統中的漏洞被帶到了工控系統里。另一方面，長(cháng)期以來(lái)工控系統并沒(méi)有因為信息安全問(wèn)題發(fā)生大的事故，人們普遍存在“病毒很少能對工業(yè)控制系統造成危害”的意識。但是，伊朗的“震網(wǎng)”事件，給了全世界一個(gè)警示，計算機病毒不僅可以感染到工控系統，而且可以對控制對象進(jìn)行物質(zhì)破壞。

針對越發(fā)嚴重的工業(yè)系統入侵等安全事件，世界各國都在積極研究相應的應對措施。歐美先后制定了IEC62443《工業(yè)過(guò)程測量、控制和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )與系統信息安全》、SP800-82《工業(yè)控制系統（ICS）安全指南》等標準。

美國成立了工業(yè)控制系統網(wǎng)絡(luò )應急小組（Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team，ICS-CERT），專(zhuān)注于協(xié)助美國計算機應急相應小組US-CERT處理工業(yè)控制系統安全方面的事宜，其職能包括：對已發(fā)生的工控安全事件進(jìn)行處理分析，以便將來(lái)避免發(fā)生類(lèi)似的安全事件；引導系統脆弱性分析和惡意軟件分析；提供對事件相應和取證分析的現場(chǎng)支持等。同時(shí)美國國土安全局建立了工業(yè)控制系統聯(lián)合工作小組（Industrial Control Systems Joint Working Group，ICSJWG），主要是促進(jìn)國家工業(yè)控制系統的信息共享，降低系統風(fēng)險。

目前，我國工控系統的安全形勢非常嚴峻。調查發(fā)現，約80%的企業(yè)從來(lái)不對工控系統進(jìn)行升級和漏洞修補，有52%的工控系統與企業(yè)的管理系統、內網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)連接；此外，一些存在漏洞的國外工控產(chǎn)品依然在國內的某些重要裝置上使用。更為嚴重的問(wèn)題還在于，我們對于發(fā)現風(fēng)險源頭缺乏手段，對控制風(fēng)險的技術(shù)與方法缺乏必要的研究。對此，我國先后發(fā)布了《關(guān)于加強工業(yè)控制系統信息安全管理的通知》（[2011]451號）、《關(guān)于大力推進(jìn)信息化發(fā)展和切實(shí)保障信息安全的若干意見(jiàn)（國發(fā)[2012]23號）》 等文件，促進(jìn)工業(yè)控制系統信息安全體系的建設，但大部分對口標準都在編制過(guò)程中。

4　工業(yè)控制系統信息安全發(fā)展趨勢

工業(yè)控制系統漏洞攻擊正向著(zhù)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(zhuān)業(yè)攻擊人員進(jìn)行攻擊、利用病毒進(jìn)行攻擊、工業(yè)控制系統漏洞挖掘與發(fā)布同時(shí)增長(cháng)的趨勢發(fā)展。當前，美國和歐盟都從國家戰略的層面在開(kāi)展各方面的工作，積極研究工業(yè)控制系統信息安全的應對策略。我國也在政策層面和研究層面積極開(kāi)展工作，但我國工業(yè)控制系統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)標準規范不完善，技術(shù)防護措施不到位，安全防護能力和應急處理能力不高，這些問(wèn)題都威脅著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)安全和社會(huì )正常運作。因此，整合各方面優(yōu)勢資源，促進(jìn)工業(yè)控制系統信息安全產(chǎn)業(yè)的形成，是未來(lái)工業(yè)控制系統網(wǎng)絡(luò )信息安全發(fā)展的基本趨勢。

工業(yè)控制系統信息安全技術(shù)的發(fā)展，將隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化系統的發(fā)展而不斷演化。目前自動(dòng)化系統發(fā)展的趨勢就是數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化和人機交互人性化。同時(shí)將更多的IT技術(shù)應用到傳統的邏輯控制和數字控制中。工業(yè)控制系統信息安全技術(shù)未來(lái)也將進(jìn)一步借助傳統IT技術(shù)，使其更加智能化、網(wǎng)絡(luò )化，成為控制系統不可缺少的一部分。與傳統IP互聯(lián)網(wǎng)的信息安全產(chǎn)品研發(fā)路線(xiàn)類(lèi)似，工業(yè)控制系統信息安全產(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)控制系統特色鮮明的安全輸入、安全控制、安全輸出類(lèi)產(chǎn)品體系。值得指出的是，隨著(zhù)工業(yè)控制系統信息安全認識和相關(guān)技術(shù)的不斷深化，必將產(chǎn)生一系列與工業(yè)控制系統功能安全、現場(chǎng)應用環(huán)境緊密聯(lián)系，特色鮮明的工業(yè)控制系統安全防護工具、設備及系統。

5　總結與展望

從總體上看，我國工業(yè)控制系統信息安全防護體系建設滯后于系統本身的建設，還處于初級階段，需要根據工業(yè)控制系統信息安全保障體系建設需求，基于國家信息安全標準體系框架，建立工業(yè)控制系統信息安全標準體系總體框架。自2013年開(kāi)始，康拓工控先后對城市軌道、鐵路以及城市供水等工業(yè)控制系統進(jìn)行了大量的系統安全性分析，逐步梳理現有信息安全標準在上述工業(yè)控制系統建設中的應用關(guān)系，以實(shí)現工業(yè)控制系統“可發(fā)現、可防范、可替代”的目標，提升工控安全核心競爭力，為我國兩化的深度融合、實(shí)施制造強國戰略提供可靠的信息安全保障。

作者簡(jiǎn)介

呂建民（1980-），男，河南濮陽(yáng)人，工程師，碩士，現就職于北京康拓科技有限公司，主要從事工業(yè)控制系統研究工作。

參考文獻：

[1] 彭勇, 等. 工業(yè)控制系統信息安全研究進(jìn)展[J]. 清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2012. (52) : 10.

[2] 工業(yè)控制系統信息安全發(fā)展現狀分析[EB/OL]. http://www.dqjsw.com.cn/xinwen/shichangdongtai/126840.html.

[3] 夏春明, 劉濤, 王華忠, 吳清. 工業(yè)控制系統信息安全現狀及發(fā)展趨勢[J]. 信息安全與技術(shù), 2013, 02.

摘自《工業(yè)控制系統信息安全》專(zhuān)刊第三輯