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DCS工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全新趨勢

文檔作者：李華文檔來源：核工業(yè)計算機應(yīng)用研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月20日
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行業(yè)與應(yīng)用安全
DCS工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全新趨勢
◆李華
(核工業(yè)計算機應(yīng)用研究所北京1 00048)
摘要I隨著計算機技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)及社會公共網(wǎng)絡(luò)平臺的快速發(fā)展，在“兩化”融合的行業(yè)發(fā)展需求下。DCS系
統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)。由于DCS工業(yè)控制系統(tǒng)在初建設(shè)時更多的是考慮各自系統(tǒng)的可用性，并沒有考慮系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的安全風(fēng)
險和防護建設(shè)，造成病毒、木馬等安全威脅向工控領(lǐng)域迅速擴散。為了簡要介紹目前工控系統(tǒng)的安全問題，本文首先從DCS工業(yè)控制
系統(tǒng)的定義和三層結(jié)構(gòu)出發(fā)，引出了DCS工控系統(tǒng)的安全問題，闡述了該安全問題的分布特點。然后從技術(shù)角度。就攻擊者與攻擊途
徑、網(wǎng)絡(luò)攻擊的檢測與響應(yīng)、系統(tǒng)安全建模與脆弱性分析等多個重要問題進行了詳細的討論。最后，提出了縱深防御的安全理念，并
以此為指導(dǎo)，構(gòu)建了由邊界系統(tǒng)、防御系統(tǒng)、防衛(wèi)系統(tǒng)等三部分組成的綜合防御體系，旨在為工業(yè)控制系統(tǒng)提供全方位、多層次、完
整生命周期的保護。
關(guān)鍵詞：DCS工業(yè)控制系統(tǒng)；信息安全：縱深防御
O引言
隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是信息化與工業(yè)化深度
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，以各種方式與互聯(lián)網(wǎng)等公共網(wǎng)
絡(luò)連接，病毒、木馬等威脅正在向工業(yè)控制系統(tǒng)擴散，工業(yè)控制
系統(tǒng)信息安全問題日益突出。
由于工業(yè)控制系統(tǒng)在建設(shè)初期基本上獨立成網(wǎng)，在純物理隔
離的應(yīng)用環(huán)境下，導(dǎo)致相關(guān)的工業(yè)協(xié)議安全密碼管理功能非常
弱，安全管理措施不到位，基本沒有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全檢測和防護技
術(shù)手段，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的工作站所采用的Windows系統(tǒng)為保證工
業(yè)軟件的運行甚至不安裝。從工控控制系統(tǒng)現(xiàn)狀存在的安全風(fēng)險
看，兩化融合所需要的與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通是工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)
險急劇提升的主要原因，缺乏安全檢測和防護手段、操作系統(tǒng)平
臺和工業(yè)軟件本身的安全漏洞、無防毒措施、缺乏審計措施等則
是導(dǎo)致風(fēng)險不能有效控制的客觀因素。
如何應(yīng)對新形勢下工控領(lǐng)域面f臨的信息安全風(fēng)險；如何對老
舊系統(tǒng)進行必要和可行的安全加固：如何防范高級可持續(xù)威脅；
如何為工控系統(tǒng)的安全管理建立模型，提供可以量化的討論和易
于執(zhí)行的方案；如何界定傳統(tǒng)IT系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)在信息安
全上的異同，并且利用這些異同因地制宣地開展防護??所有這
些都是擺在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界面前，亟待探究和解答的重要問題。
1 DCS工業(yè)控嗣系統(tǒng)定義及結(jié)構(gòu)
美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)對于工業(yè)控制系統(tǒng)的定義
和描述是這樣的：工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)是一類用于工業(yè)生產(chǎn)的
控制系統(tǒng)的統(tǒng)稱，它包含監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、
分布式控制系統(tǒng)(DCS)和其他一些常見于工業(yè)部門與關(guān)鍵基礎(chǔ)
設(shè)施的小型控制系統(tǒng)，如可編程邏輯控制器(PLC)等。
DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(Dstfibuted Contral
System)，在國內(nèi)自行控制行業(yè)又稱之為集散式控制系統(tǒng)。所謂
的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于
集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是一個由過
程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機
系統(tǒng)，綜合了計算機、通信、顯示和控制等4G技術(shù)，其基本思
想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。
系統(tǒng)主要有現(xiàn)場控制站(I／O站)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口單元
(操作員站OPS、工程師站ENS)、機柜、電源等組成。系統(tǒng)具
備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。
典型的DCS工業(yè)控制系統(tǒng)，由過程級、操作級、管理級三
部分組成。如圖l所示：
(1)過程級主要由過程控制站、I／O單元和現(xiàn)場儀表組成，
是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。(2)操作級包括：操作員站和
工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)，是連接上下兩層網(wǎng)絡(luò)的橋梁
和紐帶，其中設(shè)有眾多的實時與歷史數(shù)據(jù)服器。它一方面根據(jù)上
層的生產(chǎn)指令控制和調(diào)度底層的現(xiàn)場控制設(shè)備，另一方面又對工
業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為上層調(diào)控提供信
息反饋。(3)管理級主要是指工廠管理系統(tǒng)(MIS系統(tǒng))，作為
DCS更高層次的應(yīng)用。MIS信息網(wǎng)絡(luò)具有傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)的屬性，
可用以執(zhí)行郵件收發(fā)、網(wǎng)頁瀏覽、企業(yè)資源計劃(ERP)和制造
執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等功能。
5i] 引
H尉
圖l典型DCS上業(yè)控制系統(tǒng)組成
2 DC$工業(yè)控翻安全分布特點
2．1工業(yè)控制系統(tǒng)安全現(xiàn)狀
工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的威脅可以來自多種來源，包括對抗性來
源如敵對政府、恐怖組織、工業(yè)間諜、心懷不滿的員工、惡意入
侵者，自然來源如從系統(tǒng)的復(fù)雜性、人為錯誤和意外事故、設(shè)備
故障和自然災(zāi)害。為了防止對抗性的威脅(以及已知的自然威
脅)，需要為ICS創(chuàng)建一個縱深的防御策略。如表l列出了針對
ICS的可能的威脅。請注意此列表中是按字母順序排列而不是按
威脅大小。
表l針對ICS的對抗性威脅
威脅名稱描述
攻擊者遍布全球，入侵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個比較高的威脅， 攻擊者
其造成的孤立的或短暫的中斷可引起嚴重損害。
僵尸網(wǎng)絡(luò)
僵尸網(wǎng)絡(luò)操縱者侵入系統(tǒng)不是為了挑戰(zhàn)或炫耀，而是
將多個系統(tǒng)聯(lián)合起來發(fā)動攻擊、散布釣魚、垃圾郵件
操縱者
和惡意軟件。
有組織的犯罪集團利用垃圾郵件，網(wǎng)絡(luò)釣魚，間諜軟
件／惡意軟件進行身份盜竊和在線欺詐。國際企業(yè)間諜
犯罪集團
和有組織的犯罪集團也通過自己的能力進行工業(yè)間諜
活動和大規(guī)模的貨幣盜竊。
外國情報部門使用網(wǎng)絡(luò)工具作為他們的信息收集和間
外國情報
諜活動的一部分。這類能力使單一的實體就能造成顯
著的和嚴重的影響，通過擾亂供電、通信和支持軍事
服務(wù)
力量的經(jīng)濟基礎(chǔ)設(shè)施，其后果可能會影響國家公民的
日常生活。
內(nèi)部人員對目標(biāo)系統(tǒng)很了解，使他們不受限制地訪問
系統(tǒng)從而對系統(tǒng)造成損害或竊取系統(tǒng)數(shù)據(jù)。內(nèi)部威脅
內(nèi)部人員還包括外包供應(yīng)商以及員工意外地引入惡意軟件到系
統(tǒng)中。
不適當(dāng)?shù)牟呗?、程序和測試也會導(dǎo)致對ICS的影響。
萬方數(shù)據(jù)
行業(yè)與應(yīng)用安全
對ICS和現(xiàn)場設(shè)備的影響程度可以是從瑣碎的到重大
的損壞。來自內(nèi)部的意外影響是發(fā)生概率最高的事件
之一。
釣魚者是執(zhí)行釣魚計劃的個人或小團體，企圖竊取身
釣魚者份或信息以獲取金錢。釣魚者也可以使用垃圾郵件和
間諜軟件／惡意軟件來實現(xiàn)其目標(biāo)。
垃圾郵件發(fā)送者包括個人或組織，他們散布不請自來
垃圾郵件的電子郵件，包含隱藏的或虛假的產(chǎn)品銷售信息，進
發(fā)送者行網(wǎng)絡(luò)釣魚計劃，散布間諜軟件／惡意軟件，或有組織
的攻擊(例如DoS)。
間諜／惡意具有惡意企圖的個人或組織通過制作和散布間諜軟件
軟件作者和惡意軟件進行對用戶的攻擊。
恐怖份子試圖破壞、中斷或利用關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施來威脅
國家安全。恐怖分子可能使用網(wǎng)絡(luò)釣魚或間諜軟件／惡
恐怖份子
意軟件，以籌集資金或收集敏感信息。恐怖分子可能
襲擊一個目標(biāo)，以從其他目標(biāo)上轉(zhuǎn)移視線或資源。
工業(yè)間諜活動，旨在通過秘密的方法獲得知識產(chǎn)權(quán)和
工業(yè)間諜
技術(shù)訣竅。
2．2信息安全管理方面脆弱性
(1)組織結(jié)構(gòu)人員職責(zé)不完善，專業(yè)人員缺乏。大部分行
業(yè)未設(shè)置工控系統(tǒng)信息安全管理部門，未明確建設(shè)運維相關(guān)部門
的安全職責(zé)和技能要求。同時普遍缺乏信息安全人才。
(2)信息安全管理制度流程欠完善。現(xiàn)在大部分行業(yè)還未
形成完整的制度政策保障信息安全，缺乏工業(yè)控制系統(tǒng)規(guī)劃、建
設(shè)、運維、廢止全生命周期的信息安全需求和設(shè)計管理，欠缺配
套的管理體系、處理流程、人員責(zé)任等規(guī)定。
(3)應(yīng)急響應(yīng)機制欠健全，需進一步提高信息安全事件的
應(yīng)對能力。由于響應(yīng)機制不夠健全，缺乏應(yīng)急響應(yīng)組織和標(biāo)準(zhǔn)
化的事件處理流程，發(fā)生信息安全事件后人員通常依靠經(jīng)驗判
斷安全事件發(fā)生的設(shè)備和影響范圍，逐一進行排查，響應(yīng)能力
不高。
(4)人員信息安全培訓(xùn)不足，技術(shù)和管理能力以及人員安
全意識有待提高。大部分行業(yè)有針對工控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，但是
面向全員的信息安全意識宣傳，信息安全技術(shù)和管理培訓(xùn)均比較
缺乏，需加強信息安全體系化宣傳和培訓(xùn)。
(5)尚需完善第三方人員管理體制。大部分的行業(yè)會將設(shè)
備建設(shè)運維工作外包給設(shè)備商或集成商，尤其針對國外廠商，業(yè)
主不了解工控設(shè)備技術(shù)細節(jié)，對于所有的運維操作無控制、無審
計，留有安全隱患。如何有效地管控設(shè)備廠商和運維人員的操作
行為，并進行嚴格的審計是工控系統(tǒng)面臨的一個關(guān)鍵問題。
2．3信息安全技術(shù)方面脆弱性
(1)未進行安全域劃分，區(qū)域問未設(shè)置訪問控制措施。隨
著工控系統(tǒng)的集成化越來越高，呈現(xiàn)統(tǒng)一管理集中監(jiān)控的趨勢，
系統(tǒng)的互聯(lián)程度大大提高。但是大部分行業(yè)的工控系統(tǒng)各子系統(tǒng)
之間沒進行安全分區(qū)，系統(tǒng)邊界不清楚，邊界訪問控制策略缺失
等問題。
(2)缺少信息安全風(fēng)險監(jiān)控技術(shù)，不能及時發(fā)現(xiàn)信息安全
問題，出現(xiàn)問題后靠人員經(jīng)驗排查。在工控網(wǎng)絡(luò)上普遍缺少信息
安全監(jiān)控機制，不能及時了解網(wǎng)絡(luò)狀況，一旦發(fā)生問題不能及時
確定問題所在，及時排查到故障點，排查過程耗費大量人力成本、
時間成本。
(3)系統(tǒng)運行后，操作站和服務(wù)器很少打補丁，存在系統(tǒng)
漏洞，系統(tǒng)安全配置較薄弱，防病毒軟件安裝不全面。大部分行
業(yè)工控系統(tǒng)投產(chǎn)后，對操作系統(tǒng)極少升級，而操作系統(tǒng)會不斷曝
出漏洞，導(dǎo)致操作站和服務(wù)器暴露在風(fēng)險中。系統(tǒng)自身的安全策
略未啟用或配置薄弱，給黑客攻擊容易遭受攻擊。防病毒軟件的
安裝不全面，即使安裝后也不及時更新防惡意代碼軟件版本和惡
意代碼庫。
(4)工程師站缺少身份認證和接入控制，且權(quán)限很大。有
些行業(yè)工程師站登錄過程缺少身份認證，且與操作站、控制器等
通信均缺乏身份認證，存在任意工程師站可以對操作站、現(xiàn)場設(shè)
備直接組態(tài)的情況。
(5)存在使用移動存儲介質(zhì)不規(guī)范問題，易引入病毒以及
黑客攻擊程序。在工控系統(tǒng)運維和使用過程中，存在隨意使用U
盤、光盤、移動硬盤等移動存儲介質(zhì)現(xiàn)象，有可能傳染病毒、木
馬等威脅進生產(chǎn)系統(tǒng)中。
(6)第三方人員運維生產(chǎn)系統(tǒng)無審計措施，出現(xiàn)問題后無
法及時準(zhǔn)確定位問題原因、影響范圍及追究責(zé)任。
(7)上線前未進行信息安全測試。一些行業(yè)工控系統(tǒng)各子
系統(tǒng)在上線前未安全性測試，系統(tǒng)在上線后存在大量安全風(fēng)險漏
洞，安全配置薄弱，甚至有的系統(tǒng)帶毒工作。
(8)無線通信安全性不足。一些行業(yè)工控系統(tǒng)中大量使用
無線網(wǎng)絡(luò)，在帶來方便的同時，隨之而來的還有無線網(wǎng)絡(luò)安全方
面的威脅。其中包括未授權(quán)用戶的非法接入、非法AP欺騙生產(chǎn)
設(shè)備接入、數(shù)據(jù)在傳輸過程中被監(jiān)聽竊取、基于無線的入侵行為
等問題。
3工業(yè)控嗣信息系統(tǒng)安全發(fā)晨趨勢和麓議
在當(dāng)今技術(shù)高速發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，攻擊手段不斷翻
新，尤其出現(xiàn)了高級可持續(xù)威脅的信息安全大背景下，想要把所
有的攻擊都阻攔在防護之外，已經(jīng)是不可能的事情。因此，要保
證工業(yè)控制系統(tǒng)的安全，必須采用縱深防御的安全理念，以被保
護的工業(yè)控制系統(tǒng)為核心，構(gòu)建起多層級的縱深防御體系，如圖
2所示
I．!竺至墨
導(dǎo)I】i¨檻控制一監(jiān)控嘲嬉
f璧f f{ 鑫一一·ws— 曩1面磊一齏i1而1函r——_
Q Q 魚Q
圈2 I、lp控制系統(tǒng)縱深防御體系
(1)需要在工業(yè)控制系統(tǒng)的對外邊界上建立起良好的“邊界
系統(tǒng)”，借助傳統(tǒng)IT系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗和產(chǎn)品，同時充分結(jié)合工
控系統(tǒng)性能特點，利用工控防火墻、工控網(wǎng)閘、工控網(wǎng)關(guān)等安全
隔離設(shè)備，在工控系統(tǒng)的邊界上構(gòu)筑安全防線。
(2)需要為工業(yè)控制系統(tǒng)建立全面的“防御系統(tǒng)”，它包括
了入侵檢測系統(tǒng)、入侵誘捕系統(tǒng)和安全態(tài)勢感知等安全部件，用
以檢測和抵御入侵工控系統(tǒng)的攻擊行為。
(3)需要為工業(yè)控制系統(tǒng)建立可靠性高、反應(yīng)迅速、性能
健壯的“防危系統(tǒng)”，這是為工業(yè)控制系統(tǒng)可用性第一的特點而量
身定制的。它保證了即使攻擊者及其攻擊行為已經(jīng)突破了前面的
兩道防線，侵入到工控系統(tǒng)的內(nèi)部，工控系統(tǒng)仍然可以維持工控
系統(tǒng)的物理安全，不至于導(dǎo)致嚴重的人身傷亡和重大財產(chǎn)損失事
故。
4結(jié)束語
總之，作為傳統(tǒng)IT系統(tǒng)的延伸和發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)目前
雖然面臨著嚴重的信息安全威脅，但是只要能夠在借鑒傳統(tǒng)安全
防御手段的基礎(chǔ)上，充分考慮工業(yè)控制系統(tǒng)的工作特點，因地制
宜地采取保護措施，扎實系統(tǒng)地部署縱深防御，不斷推進工控安
全領(lǐng)域的研究和實踐，在不遠的將來，一定可以在這一場嶄新的
網(wǎng)絡(luò)攻防戰(zhàn)中占據(jù)先機和主動。

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