工業(yè)控制系統(tǒng)安全體系架構(gòu)與管理平臺

　　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)安全防護建設(shè)提上了日程。本文在對工業(yè)控制系統(tǒng)特點和面臨的安全風險進行分析的基礎(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)安全管理平臺進行了說明。
　　
　　一、工業(yè)控制系統(tǒng)安全分析
　　
　　工業(yè)控制系統(tǒng)（IndustrialControlSystems,ICS），是由各種自動化控制組件和實時數(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、遠程診斷與維護工具三部分組件共同完成，控制回路用以控制邏輯運算，HMI執(zhí)行信息交互，遠程診斷與維護工具確保ICS能夠穩(wěn)定持續(xù)運行。
　　
　　1.1工業(yè)控制系統(tǒng)潛在的風險
　　
　　1.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)補丁兼容性的問題，系統(tǒng)開車后一般不會對Windows平臺打補丁，導致系統(tǒng)帶著風險運行。
　　
　　2.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散留下了空間。
　　
　　3.使用U盤、光盤導致的病毒傳播問題。
　　
　　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盤和光盤使用進行有效的管理，導致外設(shè)的無序使用而引發(fā)的安全事件時有發(fā)生。
　　
　　4.設(shè)備維修時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，沒有到達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。
　　
　　5.存在工業(yè)控制系統(tǒng)被有意或無意控制的風險問題
　　
　　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)帶來很大的風險。
　　
　　6.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)施的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，是工業(yè)工控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。
　　
　　1.2“兩化融合”給工控系統(tǒng)帶來的風險
　　
　　工業(yè)控制系統(tǒng)zui早和企業(yè)管理系統(tǒng)是隔離的，但近年來為了實現(xiàn)實時的數(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)接入的范圍不僅擴展到了企業(yè)網(wǎng)，而且面臨著來自Internet的威脅。
　　
　　同時，企業(yè)為了實現(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，實現(xiàn)生產(chǎn)和管理的率、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)之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。導致生產(chǎn)控制系統(tǒng)不再是一個獨立運行的系統(tǒng)，而要與管理系統(tǒng)甚至互聯(lián)網(wǎng)進行互通、互聯(lián)。
　　
　　1.3工控系統(tǒng)采用通用軟硬件帶來的風險
　　
　　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。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)議進行了工業(yè)控制系統(tǒng)的集成;同時，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)安全防護設(shè)計
　　
　　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)面臨的安全風險，而“兩化融合”和工控系統(tǒng)自身的缺陷造成的安全風險，主要從兩個方面進行安全防護。
　　
　　通過“三層架構(gòu)，二層防護”的體系架構(gòu)，對工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進行分層、分域、分等級，從而對工控系統(tǒng)的操作行為進行嚴格的、排他性控制，確保對工控系統(tǒng)操作的*性。
　　
　　通過工控系統(tǒng)安全管理平臺，確保HMI、管理機、控制服務(wù)工控通信設(shè)施安全可信。
　　
　　2
　　
　　2.1構(gòu)建“三層架構(gòu)，二層防護”的安全體系
　　
　　工業(yè)控制系統(tǒng)需要進行橫向分層、縱向分域、區(qū)域分等級進行安全防護，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)功能無法進行。
　　
　　2.1.1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，主要進行身份鑒別、訪問控制、檢測審計、鏈路冗余、內(nèi)容檢測等安全防護;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*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)劃分為三個層次，分別是計劃管理層、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，主要負責生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。通過MES，管理者可以及時掌握和了解生產(chǎn)工藝各流程的運行狀況和工藝參數(shù)的變化，實現(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時數(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。
　　
　　2.1.2工控系統(tǒng)的二層防護
　　
　　1、管理層與MES層之間的安全防護
　　
　　管理層與MES層之間的安全防護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*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，保證只有可信、合規(guī)的終端和服務(wù)器才可以在兩個區(qū)域之間進行安全的數(shù)據(jù)交換，同時，數(shù)據(jù)交換整個過程接受監(jiān)控、審計。管理層與MES層之間的安全防護如下圖所示：　　
　　2、MES層與工業(yè)控制層之間的安全防護
　　
　　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，實現(xiàn)以下目標：
　　
　　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)控制層兩個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)間的通信，那么網(wǎng)絡(luò)故障會被控制在zui初發(fā)生的區(qū)域內(nèi)，而不會影響到其它部分。
　　
　　實時報警：任何非法的訪問，通過管理平臺產(chǎn)生實時報警信息，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如下圖所示：　　
　　2.1.3工控系統(tǒng)安全防護分域
　　
　　安全域是指同一系統(tǒng)內(nèi)有相同的安全保護需求，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，使用每一個安全域都要明確的邊界，便于對安全域進行安全防護。對MES、ICS的安全域劃分如下圖所示：　　
　　如上圖所示，為了保證各個生產(chǎn)線的安全，對各個生產(chǎn)線進行了安全域劃分，同時在安全域之間進行了安全隔離防護。
　　
　　2.1.4工控系統(tǒng)安全防護分等級
　　
　　根據(jù)安全域在信息系統(tǒng)中的重要程度以及考慮風險威脅、安全需求、安全成本等因素，將其劃為不同的安全保護等級并采取相應(yīng)的安全保護技術(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安全域的信息資產(chǎn)價值相近，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)的價值越高，面臨的威脅越大，那么它的安全保護等級也就越高。
　　
　　2.2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，但同時也存在*的安全需求。工業(yè)控制系統(tǒng)zui大的安全需求是*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*的工業(yè)應(yīng)用程序和工業(yè)通信協(xié)議運行，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)建立了一個相對可信的計算環(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。
　　
　　2.2.1管理平臺部分
　　
　　工業(yè)控制系統(tǒng)的安全運行，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、實時數(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資源進行監(jiān)控（包括設(shè)備監(jiān)控、運行監(jiān)控與安全監(jiān)控），實現(xiàn)對安全事件的預警與響應(yīng)，保障工業(yè)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
　　
　　具體而言，工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺功能如下：
　　
　　1.能夠?qū)?yīng)用服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，例如CPU、內(nèi)存、端口流量等等。
　　
　　2.能夠?qū)Σ僮鹘K端外設(shè)、進程、桌面進行合規(guī)性在線和離線管理。
　　
　　3.能夠?qū)Ω鲗舆吔鐢?shù)據(jù)交換情況進行監(jiān)控。
　　
　　4.能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)操作行為進行審計。
　　
　　5.能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)日志進行關(guān)聯(lián)分析和審計。
　　
　　6.能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)中的異常事件進行預警響應(yīng)。
　　
　　7.能夠?qū)I(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進行虛擬安全域的劃分。
　　
　　2.2.2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，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zui大特點是應(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，zui直接的方式就是利用工業(yè)控制系統(tǒng)對終端應(yīng)用程序的進程進行管理。
　　
　　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：
　　
　　1.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zui大程度保證工業(yè)控制系統(tǒng)管理終端的穩(wěn)定性。
　　
　　2.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有終端準入控制功能，可以防止沒有達到安全基線的筆記本對終端進行管理。
　　
　　3.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)終端進行安全優(yōu)化和加固，使終端安全水平達到一定的安全基線。
　　
　　4.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)進行管理，比如USB接口、光驅(qū)、網(wǎng)卡、串口等。
　　
　　5.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)軟件進行監(jiān)控和管理。
　　
　　6.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*性管理功能。
　　
　　7.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行在線管理，客戶端具有比較強大的離線自管理功能，可以完成對離線終端的管理。
　　
　　8.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺客戶端具有強身份認證功能，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身份認證功能，從而防止工業(yè)控制系統(tǒng)被有意或無意被控制的風險。
　　
　　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。zui鮮活的例子就是2010年10月發(fā)生在伊朗*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)切實加強工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理。工信部趙澤良司長也強調(diào)，工業(yè)控制系統(tǒng)安全工作也到了非加強不可的時候，否則將影響到我國重要的生產(chǎn)設(shè)施的安全。
　　
　　本文根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護的特點，提出了對工業(yè)控制系統(tǒng)進行分層、分域、分等級，構(gòu)建“三層架構(gòu)，二層防護”的工業(yè)控制系統(tǒng)安全體系架構(gòu)思想;通過分析工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的風險，對作為工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護的核心產(chǎn)品工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺功能進行了說明。工控系統(tǒng)安全管理平臺，不僅是實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)終端安全的產(chǎn)品，也是監(jiān)控工業(yè)控制系統(tǒng)IT基礎(chǔ)實施和操作行為的平臺。