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摘要：2010年10月發(fā)生在伊朗核電站的“震網(wǎng)”（Stuxnet）病毒，為工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)安全敲響了警鐘。現(xiàn)在，國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)都把工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)建設(shè)提上了日程。本文在對工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)和面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)控制系統(tǒng)安全體系架構(gòu)，并對實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)安全的核心產(chǎn)品啟明星辰工控系統(tǒng)安全管理平臺進(jìn)行了說明。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全分析

工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control Systems, ICS），是由各種自動化控制組件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的過程控制組件共同構(gòu)成。其組件包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）分布式控制系統(tǒng)（DCS）可編程邏輯控制器（PLC）遠(yuǎn)程終端（RTU）智能電子設(shè)備（IED），以及確保各組件通信的接口技術(shù)。

典型的ICS 控制過程通常由控制回路HMI遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)工具三部分組件共同完成，控制回路用以控制邏輯運(yùn)算，HMI 執(zhí)行信息交互，遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)工具確保ICS能夠穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。

工業(yè)控制系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)

操作系統(tǒng)的安全漏洞問題

由于考慮到工控軟件與操作系統(tǒng)補(bǔ)丁兼容性的問題，系統(tǒng)開車后一般不會對Windows平臺打補(bǔ)丁，導(dǎo)致系統(tǒng)帶著風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行。

殺毒軟件安裝及升級更新問題

用于生產(chǎn)控制系統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)基于工控軟件與殺毒軟件的兼容性的考慮，通常不安裝殺毒軟件，給病毒與惡意代碼傳染與擴(kuò)散留下了空間。

使用U盤光盤導(dǎo)致的病毒傳播問題。

由于在工控系統(tǒng)中的管理終端一般沒有技術(shù)措施對U盤和光盤使用進(jìn)行有效的管理，導(dǎo)致外設(shè)的無序使用而引發(fā)的安全事件時(shí)有發(fā)生。

設(shè)備維修時(shí)筆記本電腦的隨便接入問題

工業(yè)控制系統(tǒng)的管理維護(hù)，沒有到達(dá)一定安全基線的筆記本電腦接入工業(yè)控制系統(tǒng)，會對工業(yè)控制系統(tǒng)的安全造成很大的威脅。

存在工業(yè)控制系統(tǒng)被有意或無意控制的風(fēng)險(xiǎn)問題

如果對工業(yè)控制系統(tǒng)的操作行為沒有監(jiān)控和響應(yīng)措施，工業(yè)控制系統(tǒng)中的異常行為或人為行為會給工業(yè)控制系統(tǒng)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。

工業(yè)控制系統(tǒng)控制終端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而響應(yīng)延遲的問題

對工業(yè)控制系統(tǒng)中IT基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，是工業(yè)工控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

“兩化融合”給工控系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)

工業(yè)控制系統(tǒng)最早和企業(yè)管理系統(tǒng)是隔離的，但近年來為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與生產(chǎn)控制，滿足“兩化融合”的需求和管理的方便，通過邏輯隔離的方式，使工業(yè)控制系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)可以直接進(jìn)行通信，而企業(yè)管理系統(tǒng)一般直接連接Internet，在這種情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)接入的范圍不僅擴(kuò)展到了企業(yè)網(wǎng)，而且面臨著來自Internet的威脅。

同時(shí)，企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)管理與控制的一體化，提高企業(yè)信息化合綜合自動化水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理的高效率高效益，引入了生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES ，對工業(yè)控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)進(jìn)行了集成，管理信息網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。導(dǎo)致生產(chǎn)控制系統(tǒng)不再是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，而要與管理系統(tǒng)甚至互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互通互聯(lián)。

工控系統(tǒng)采用通用軟硬件帶來的風(fēng)險(xiǎn)

工業(yè)控制系統(tǒng)向工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展，開放性越來越強(qiáng)。基于TCP/IP以太網(wǎng)通訊的OPC技術(shù)在該領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)系統(tǒng)集成和使用的便利性，大量使用了工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和OPC通信協(xié)議進(jìn)行了工業(yè)控制系統(tǒng)的集成；同時(shí)，也大量的使用了PC服務(wù)器和終端產(chǎn)品，操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫也大量的使用了通用的系統(tǒng)，很容易遭到來自企業(yè)管理網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的病毒木馬黑客的攻擊。

二工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)

通過以上對工業(yè)控制系統(tǒng)安全狀況分析，我們可以看到，工控系統(tǒng)采用通用平臺，加大了工控系統(tǒng)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，而“兩化融合”和工控系統(tǒng)自身的缺陷造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行安全防護(hù)。

通過“三層架構(gòu)，二層防護(hù)”的體系架構(gòu)，對工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)行分層分域分等級，從而對工控系統(tǒng)的操作行為進(jìn)行嚴(yán)格的排他性控制，確保對工控系統(tǒng)操作的唯一性。

通過工控系統(tǒng)安全管理平臺，確保HMI管理機(jī)控制服務(wù)工控通信設(shè)施安全可信。

構(gòu)建“三層架構(gòu)，二層防護(hù)”的安全體系

工業(yè)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行橫向分層縱向分域區(qū)域分等級進(jìn)行安全防護(hù)，否則管理信息系統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)處于同一網(wǎng)絡(luò)平面，層次不清，你中有我我中有你。來自于管理信息系統(tǒng)的入侵或病毒行為很容易對工控系統(tǒng)造成損害，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和拒絕式服務(wù)攻擊很容易消耗系統(tǒng)的資源，使得正常的服務(wù)功能無法進(jìn)行。

工控系統(tǒng)的三層架構(gòu)

一般工業(yè)企業(yè)的信息系統(tǒng)，可以劃分為管理層制造執(zhí)行層工業(yè)控制層。在管理信層與制造執(zhí)行系統(tǒng)層之間，主要進(jìn)行身份鑒別訪問控制檢測審計(jì)鏈路冗余內(nèi)容檢測等安全防護(hù)；在制造執(zhí)行系統(tǒng)層和工業(yè)控制系統(tǒng)層之間，主要避免管理層直接對工業(yè)控制層的訪問，保證制造執(zhí)行層對工業(yè)控制層的操作唯一性。工控系統(tǒng)三層架構(gòu)如下圖所示：

　　通過上圖可以看到，我們把工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次，分別是計(jì)劃管理層制造執(zhí)行層工業(yè)控制層。

管理系統(tǒng)是指以ERP為代表的管理信息系統(tǒng)（MIS），其中包含了許多子系統(tǒng)，如：生產(chǎn)管理物質(zhì)管理財(cái)務(wù)管理質(zhì)量管理車間管理能源管理銷售管理人事管理設(shè)備管理技術(shù)管理綜合管理等等，管理信息系統(tǒng)融信息服務(wù)決策支持于一體。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）處于工業(yè)控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。通過MES，管理者可以及時(shí)掌握和了解生產(chǎn)工藝各流程的運(yùn)行狀況和工藝參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對工藝的過程監(jiān)視與控制。

工業(yè)控制系統(tǒng)是由各種自動化控制組件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的過程控制組件共同構(gòu)成。主要完成加工作業(yè)檢測和操控作業(yè)作業(yè)管理等功能。

工控系統(tǒng)的二層防護(hù)

1管理層與MES層之間的安全防護(hù)

管理層與MES層之間的安全防護(hù)主要是為了避免管理信息系統(tǒng)域和MES（制造執(zhí)行）域之間數(shù)據(jù)交換面臨的各種威脅，具體表現(xiàn)為：避免非授權(quán)訪問和濫用（如業(yè)務(wù)操作人員越權(quán)操作其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)）；對操作失誤篡改數(shù)據(jù)，抵賴行為的可控制可追溯；避免終端違規(guī)操作；及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法入侵行為；過濾惡意代碼（病毒蠕蟲）。

　　也就是說，管理層與MES層之間的安全防護(hù)，保證只有可信合規(guī)的終端和服務(wù)器才可以在兩個(gè)區(qū)域之間進(jìn)行安全的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)，數(shù)據(jù)交換整個(gè)過程接受監(jiān)控審計(jì)。管理層與MES層之間的安全防護(hù)如下圖所示：

2MES層與工業(yè)控制層之間的安全防護(hù)

通過在MES層和生產(chǎn)控制層部署工業(yè)防火墻，可以阻止來自企業(yè)信息層的病毒傳播； 阻擋來自企業(yè)信息層的非法入侵；管控OPC客戶端與服務(wù)器的通訊，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

區(qū)域隔離及通信管控：通過工業(yè)防火墻過濾MES層與生產(chǎn)控制層兩個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)間的通信，那么網(wǎng)絡(luò)故障會被控制在最初發(fā)生的區(qū)域內(nèi)，而不會影響到其它部分。

　　實(shí)時(shí)報(bào)警：任何非法的訪問，通過管理平臺產(chǎn)生實(shí)時(shí)報(bào)警信息，從而使故障問題會在原始發(fā)生區(qū)域被迅速的發(fā)現(xiàn)和解決。

MES層與工業(yè)控制層之間的安全防護(hù)如下圖所示：

工控系統(tǒng)安全防護(hù)分域

安全域是指同一系統(tǒng)內(nèi)有相同的安全保護(hù)需求，相互信任，并具有相同的安全訪問控制和邊界控制策略的子網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)，且相同的網(wǎng)絡(luò)安全域共享一樣的安全策略。

　　在管理層制造執(zhí)行層工業(yè)控制層中，進(jìn)行管理系統(tǒng)安全子域的劃分，制造執(zhí)行安全子域的劃分工業(yè)控制安全子域的劃分。 安全域的合理劃分，使用每一個(gè)安全域都要明確的邊界，便于對安全域進(jìn)行安全防護(hù)。對MESICS的安全域劃分如下圖所示：

如上圖所示，為了保證各個(gè)生產(chǎn)線的安全，對各個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行了安全域劃分，同時(shí)在安全域之間進(jìn)行了安全隔離防護(hù)。

工控系統(tǒng)安全防護(hù)分等級

根據(jù)安全域在信息系統(tǒng)中的重要程度以及考慮風(fēng)險(xiǎn)威脅安全需求安全成本等因素，將其劃為不同的安全保護(hù)等級并采取相應(yīng)的安全保護(hù)技術(shù)管理措施，以保障信息的安全。

安全域的等級劃分要做到每個(gè)安全域的信息資產(chǎn)價(jià)值相近，具有相同或相近的安全等級安全環(huán)境安全策略等。安全域所涉及應(yīng)用和資產(chǎn)的價(jià)值越高，面臨的威脅越大，那么它的安全保護(hù)等級也就越高。

構(gòu)建工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺

工業(yè)控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)信息系統(tǒng)具有大多數(shù)相同的安全問題，但同時(shí)也存在獨(dú)特的安全需求。工業(yè)控制系統(tǒng)最大的安全需求是唯一性和排它性，在某一特定的工業(yè)控制系統(tǒng)中，工業(yè)控制系統(tǒng)只需用唯一的工業(yè)應(yīng)用程序和工業(yè)通信協(xié)議運(yùn)行，其他一概不需要。

啟明星辰工業(yè)系統(tǒng)安全管理平臺為工業(yè)控制系統(tǒng)建立了一個(gè)相對可信的計(jì)算環(huán)境，對工控系統(tǒng)管理終端和網(wǎng)絡(luò)通信具有非常強(qiáng)的安全控制功能。工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺有兩部分組成，一部分是工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺，具有終端管理網(wǎng)絡(luò)管理行為監(jiān)控功能，另一部分是終端安全管理客戶端。

管理平臺部分

工業(yè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，主要需要保障工業(yè)控制系統(tǒng)相關(guān)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的安全，包括工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)操作終端關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器操作和應(yīng)用系統(tǒng)等各類IT資源的安全，從工業(yè)控制系統(tǒng)安全的角度對工控系統(tǒng)的各類IT資源進(jìn)行監(jiān)控（包括設(shè)備監(jiān)控運(yùn)行監(jiān)控與安全監(jiān)控），實(shí)現(xiàn)對安全事件的預(yù)警與響應(yīng)，保障工業(yè)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

具體而言，工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺功能如下：

能夠?qū)?yīng)用服務(wù)器關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，例如CPU內(nèi)存端口流量等等。

能夠?qū)Σ僮鹘K端外設(shè)進(jìn)程桌面進(jìn)行合規(guī)性在線和離線管理。

能夠?qū)Ω鲗舆吔鐢?shù)據(jù)交換情況進(jìn)行監(jiān)控。

能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)操作行為進(jìn)行審計(jì)。

能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)日志進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和審計(jì)。

能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)中的異常事件進(jìn)行預(yù)警響應(yīng)。

能夠?qū)I(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)行虛擬安全域的劃分。

工業(yè)控制系統(tǒng)終端安全管理部分

由于工業(yè)控制系統(tǒng)管理終端的安全防護(hù)技術(shù)措施十分薄弱，所以病毒木馬黑客等攻擊行為都利用這些安全弱點(diǎn)，在終端上發(fā)生發(fā)起，并通過網(wǎng)絡(luò)感染或破壞其他系統(tǒng)。

工業(yè)控制系統(tǒng)終端最大特點(diǎn)是應(yīng)用相對固定，終端主要安裝工業(yè)控制系統(tǒng)程序，所以，要防范傳統(tǒng)方式的病毒或木馬等惡意軟件，最直接的方式就是利用工業(yè)控制系統(tǒng)對終端應(yīng)用程序的進(jìn)程進(jìn)行管理。

具體而言，工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺終端安全管理部分功能如下：

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端軟件輕巧精煉，占用資源極少，能夠最大程度保證工業(yè)控制系統(tǒng)管理終端的穩(wěn)定性。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有終端準(zhǔn)入控制功能，可以防止沒有達(dá)到安全基線的筆記本對終端進(jìn)行管理。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有終端安全優(yōu)化與加固功能，能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)終端進(jìn)行安全優(yōu)化和加固，使終端安全水平達(dá)到一定的安全基線。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有外設(shè)管理功能，對工業(yè)控制系統(tǒng)的外設(shè)進(jìn)行管理，比如USB接口光驅(qū)網(wǎng)卡串口等。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序監(jiān)控功能，對終端中的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行監(jiān)控和管理。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有工業(yè)通信協(xié)議監(jiān)控功能。工業(yè)控制系統(tǒng)終端通信協(xié)議相對固定，客戶端能夠?qū)K端通信協(xié)議具有唯一性管理功能。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有離線管理功能，工業(yè)控制系統(tǒng)終端有一部分無法進(jìn)行在線管理，客戶端具有比較強(qiáng)大的離線自管理功能，可以完成對離線終端的管理。

工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有強(qiáng)身份認(rèn)證功能，客戶端具有使用工業(yè)控制系統(tǒng)在線終端和離線終端都具有強(qiáng)身份認(rèn)證功能，從而防止工業(yè)控制系統(tǒng)被有意或無意被控制的風(fēng)險(xiǎn)。

三總結(jié)

國內(nèi)外發(fā)生了多起由于工控系統(tǒng)安全問題而造成的生產(chǎn)安全事故。最鮮活的例子就是2010年10月發(fā)生在伊朗布什爾核電站的“震網(wǎng)”（Stuxnet）病毒，為整改工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)安全敲響了警鐘。

為此，工信部在2011年10月下發(fā)了“關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理的通知”，要求各級政府和國有大型企業(yè)切實(shí)加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理。工信部趙澤良司長也強(qiáng)調(diào)，工業(yè)控制系統(tǒng)安全工作也到了非加強(qiáng)不可的時(shí)候，否則將影響到我國重要的生產(chǎn)