工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

摘要：信息化與工業(yè)化深度融合是我國實施制造強國戰(zhàn)略行動綱領(lǐng)《中國制造2025》的戰(zhàn)略任務(wù)和重點之一，隨著兩化深度融合的快速推進，工業(yè)控制系統(tǒng)正面臨著的信息安全威脅。文章基于工業(yè)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)以及工業(yè)安全事件信息庫RISI統(tǒng)計的工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件，對國內(nèi)外工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全問題現(xiàn)狀做了詳細闡述和分析，總結(jié)了國內(nèi)外工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全相關(guān)措施及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制系統(tǒng)；信息安全；兩化融合；RISI

1　引言

工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）是包括監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、分布控制系統(tǒng)（DCS）等多種類型控制系統(tǒng)的總稱[1]。隨著計算機網(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，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為電力、石油化工、核工業(yè)、航天、鐵路、水處理等國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的核心控制系統(tǒng)、中樞神經(jīng)。與此同時，隨著企業(yè)管理層對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的日益關(guān)注，工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛采用通用軟硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，以及與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的集成，傳統(tǒng)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(tǒng)擴散，工業(yè)控制系統(tǒng)固有漏洞和攻擊面日益增加，另外，工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞發(fā)現(xiàn)、攻擊技術(shù)和攻擊人員能力正不斷增強，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全形勢越發(fā)嚴(yán)峻。本文在分析工業(yè)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)及安全因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件，對該領(lǐng)域的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢做出了詳細闡述和分析。

2　工業(yè)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

目前，典型的工業(yè)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)可分為三層：企業(yè)管理層、數(shù)據(jù)信息層和現(xiàn)場設(shè)備層，如圖1所示。企業(yè)管理層主要是辦公自動化系統(tǒng)，一般使用通用以太網(wǎng)，可以從數(shù)據(jù)信息層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。數(shù)據(jù)信息層主要是從現(xiàn)場層獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能。現(xiàn)場設(shè)備層負責(zé)通過組態(tài)設(shè)汁，完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)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(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)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)的越來越緊密。另一方面，傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)采用的硬件、軟件和通信協(xié)議，設(shè)計上基本沒有考慮互聯(lián)互通所必須考慮的通信安全問題。從工業(yè)控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)看，公用網(wǎng)絡(luò)連接處均是安全威脅的切入點，傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)普遍缺乏有效的工業(yè)安全防御及數(shù)據(jù)通信保密措施。特別是隨著信息化的推動和工業(yè)化進程的加速，越來越多的計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，在為工業(yè)生產(chǎn)帶來極大推動作用的同時也帶來了諸如木馬、病毒、網(wǎng)絡(luò)攻擊等安全問題。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有隔離功能，因此在工控系統(tǒng)開放的同時，也減弱了控制系統(tǒng)與外界的隔離，工控系統(tǒng)的安全隱患問題日益嚴(yán)峻。

3　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全現(xiàn)狀

3.1　現(xiàn)狀分析

根據(jù)工業(yè)安全事件信息庫RISI（Repository of Industrial Security Incidents）的統(tǒng)計，截止2011年，已發(fā)生200余起針對工業(yè)控制系統(tǒng)的重大攻擊事件，尤其在2000年之后，隨著通用協(xié)議、通用硬件、通用軟件在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對過程控制和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的攻擊增長了近10倍[3]。

針對工業(yè)控制系統(tǒng)的攻擊主要威脅其物理安全、功能安全和系統(tǒng)信息安全，以達到直接破壞控制器、通信設(shè)備，篡改工業(yè)參數(shù)指令或入侵系統(tǒng)破壞生產(chǎn)設(shè)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(tǒng)破壞主要來自于對工控系統(tǒng)的非法入侵，目前此類事件已頻繁發(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(zhàn)略安全。以下是各行業(yè)典型的工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）遭入侵事件。

2000年，加斯普羅姆（Gazprom）公司（俄羅斯國營天然氣工業(yè)股份公司）內(nèi)部人員的幫助下突破了該公司的安全防護網(wǎng)絡(luò)，通過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污水處理廠出現(xiàn)故障，無線連接信號丟失，污水泵工作異常，控制系統(tǒng)被一位前工程師通過一臺手提電腦和一個無線發(fā)射器侵入，控制了150個污水泵站，前后三個多月，總計有100萬公升的污水未經(jīng)處理直接經(jīng)雨水渠排入自然水系，導(dǎo)致當(dāng)?shù)丨h(huán)境受到嚴(yán)重破壞。

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

2005年，13家美國汽車廠（尤其是佳士拿汽車工廠）由于被蠕蟲感染而被迫關(guān)閉，50000名生產(chǎn)工人被迫停止工作，直接經(jīng)濟損失超過140萬美元[3]。

2006年8月，美國Browns Ferry核電站，因其控制網(wǎng)絡(luò)上的通信信息過載，導(dǎo)致控制水循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動器失效，使反應(yīng)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(shù)百萬美元。

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

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

2010年6月，德國安全專家發(fā)現(xiàn)可攻擊工業(yè)控制系統(tǒng)的Suxnet病毒，截止9月底，該病毒感染了超過45000個網(wǎng)絡(luò)，其中伊朗為嚴(yán)重，直接造成其核電站推遲發(fā)電。

我國同樣遭受著工業(yè)控制系統(tǒng)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，某裝置控制系統(tǒng)分別感染Conficker病毒，都造成控制系統(tǒng)服務(wù)器與控制器通訊不同程度的中斷[5]。

通過相關(guān)工控事件案例分析可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致工業(yè)控制系統(tǒng)安全問題日益加劇的原因有以下幾點。

（1）工業(yè)控制系統(tǒng)自身有漏洞、防護措施薄弱

工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)并未將系統(tǒng)防護、數(shù)據(jù)保密等安全指標(biāo)納入其中，另外，工業(yè)控制系統(tǒng)使用的現(xiàn)場控制設(shè)備中大量使用了標(biāo)準(zhǔn)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或產(chǎn)品。這些技術(shù)和產(chǎn)品并沒有針對工控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境進行優(yōu)化和專門設(shè)計，導(dǎo)致為工控系統(tǒng)引入了大量的漏洞。經(jīng)統(tǒng)計，相關(guān)廠商設(shè)備漏洞中，羅克韋爾自動化公司相關(guān)設(shè)備高危漏洞4個，西門子公司相關(guān)設(shè)備高危漏洞7個，橫河公司相關(guān)設(shè)備高危漏洞6個。Windows XP操作系統(tǒng)截至SP3補丁更新時高危漏洞239個，在2014年4月8日停止服務(wù)支持后，發(fā)現(xiàn)的高危漏洞為119個，共計358個[5]。

很多企業(yè)中，由于工業(yè)控制系統(tǒng)類型多樣化，安全管理意識和職責(zé)不明確，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸和授權(quán)管理未實施明確的安全策略。另一方面企業(yè)管理層連接互聯(lián)網(wǎng)，從而導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)用戶可以利用企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的漏洞，對工業(yè)控制系統(tǒng)運行帶來造成重大安全隱患。經(jīng)統(tǒng)計，工控系統(tǒng)遭入侵的方式多樣，其入侵途徑以透過企業(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工控系統(tǒng)與因特網(wǎng)的直接連接等方式。

（2）終端安全管理問題突出

工業(yè)控制終端具有遠程維護或診斷功能，但不具有嚴(yán)格的安全措施，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的非授權(quán)訪問。同時移動終端自身的安全問題（如病毒、木馬等惡意程序），也可能感染整個系統(tǒng)。

（3）入侵、攻擊手段的隱蔽

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

3.2　應(yīng)對情況

自Stuxnet病毒爆發(fā)以來，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全就成為各國所關(guān)注的焦點。工控系統(tǒng)信息安全成為新的關(guān)注點主要有兩個方面的原因：一方面，過去的工業(yè)控制系統(tǒng)是使用專業(yè)的系統(tǒng)、專業(yè)的隊伍、專業(yè)的設(shè)備，只有小范圍人群了解和掌握。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，很多專業(yè)的系統(tǒng)實現(xiàn)了通用化，現(xiàn)在的工控系統(tǒng)開始在通用技術(shù)的基礎(chǔ)上做專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)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，存在于計算機信息系統(tǒng)中的漏洞被帶到了工控系統(tǒng)里。另一方面，長期以來工控系統(tǒng)并沒有因為信息安全問題發(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(tǒng)造成危害”的意識。但是，伊朗的“震網(wǎng)”事件，給了*一個警示，計算機病毒不僅可以感染到工控系統(tǒng)，而且可以對控制對象進行物質(zhì)破壞。

針對越發(fā)嚴(yán)重的工業(yè)系統(tǒng)入侵等安全事件，世界各國都在積極研究相應(yīng)的應(yīng)對措施。歐美先后制定了IEC62443《工業(yè)過程測量、控制和自動化網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)信息安全》、SP800-82《工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）安全指南》等標(biāo)準(zhǔn)。

美國成立了工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急小組（Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team，ICS-CERT），專注于協(xié)助美國計算機應(yīng)急相應(yīng)小組US-CERT處理工業(yè)控制系統(tǒng)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行處理分析，以便將來避免發(fā)生類似的安全事件；引導(dǎo)系統(tǒng)脆弱性分析和惡意軟件分析；提供對事件相應(yīng)和取證分析的現(xiàn)場支持等。同時美國國土安全局建立了工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)合工作小組（Industrial Control Systems Joint Working Group，ICSJWG），主要是促進國家工業(yè)控制系統(tǒng)的信息共享，降低系統(tǒng)風(fēng)險。

目前，我國工控系統(tǒng)的安全形勢非常嚴(yán)峻。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，約80%的企業(yè)從來不對工控系統(tǒng)進行升級和漏洞修補，有52%的工控系統(tǒng)與企業(yè)的管理系統(tǒng)、內(nèi)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(nèi)的某些重要裝置上使用。更為嚴(yán)重的問題還在于，我們對于發(fā)現(xiàn)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(tǒng)信息安全管理的通知》（[2011]451號）、《關(guān)于大力推進信息化發(fā)展和切實保障信息安全的若干意見（國發(fā)[2012]23號）》 等文件，促進工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全體系的建設(shè)，但大部分對口標(biāo)準(zhǔn)都在編制過程中。

4　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全發(fā)展趨勢

工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞攻擊正向著簡單控制器受攻擊增大、利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行攻擊、專業(yè)攻擊人員進行攻擊、利用病毒進行攻擊、工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞挖掘與發(fā)布同時增長的趨勢發(fā)展。當(dāng)前，美國和歐盟都從國家戰(zhàn)略的層面在開展各方面的工作，積極研究工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的應(yīng)對策略。我國也在政策層面和研究層面積極開展工作，但我國工業(yè)控制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善，技術(shù)防護措施不到位，安全防護能力和應(yīng)急處理能力不高，這些問題都威脅著工業(yè)生產(chǎn)安全和社會正常運作。因此，整合各方面優(yōu)勢資源，促進工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)的形成，是未來工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全發(fā)展的基本趨勢。

工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)的發(fā)展，將隨著工業(yè)自動化系統(tǒng)的發(fā)展而不斷演化。目前自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢就是數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和人機交互人性化。同時將更多的IT技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)字控制中。工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)未來也將進一步借助傳統(tǒng)IT技術(shù)，使其更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，成為控制系統(tǒng)*的一部分。與傳統(tǒng)IP互聯(lián)網(wǎng)的信息安全產(chǎn)品研發(fā)路線類似，工業(yè)控制系統(tǒng)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，形成工業(yè)控制系統(tǒng)特色鮮明的安全輸入、安全控制、安全輸出類產(chǎn)品體系。值得指出的是，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全認(rèn)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(tǒng)功能安全、現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境緊密，特色鮮明的工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護工具、設(shè)備及系統(tǒng)。

5　總結(jié)與展望

從總體上看，我國工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護體系建設(shè)滯后于系統(tǒng)本身的建設(shè)，還處于初級階段，需要根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全保障體系建設(shè)需求，基于國家信息安全標(biāo)準(zhǔn)體系框架，建立工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標(biāo)準(zhǔn)體系總體框架。自2013年開始，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(tǒng)進行了大量的系統(tǒng)安全性分析，逐步梳理現(xiàn)有信息安全標(biāo)準(zhǔn)在上述工業(yè)控制系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用關(guān)系，以實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)“可發(fā)現(xiàn)、可防范、可替代”的目標(biāo)，提升工控安全核心競爭力，為我國兩化的深度融合、實施制造強國戰(zhàn)略提供可靠的信息安全保障。

作者簡介

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