工業(yè)控制系統(tǒng)在過程生產(chǎn)、電力設施、水力油氣和運輸?shù)阮I域有著廣泛的應用。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全性主要依賴于其技術的隱秘性，幾乎未采取任何安全措施。隨著企業(yè)管理層對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的日益關注，工業(yè)控制系統(tǒng)越來越多地采用開放lnternet技術實現(xiàn)與企業(yè)網(wǎng)的互連。目前，大多數(shù)工業(yè)通信系統(tǒng)在商用操作系統(tǒng)的基礎上開發(fā)協(xié)議，通信應用中存在很多漏洞。在工業(yè)控制系統(tǒng)與Internet或其他公共網(wǎng)絡互連時，這些漏洞將會暴露給潛在攻擊者。此外，工業(yè)控制系統(tǒng)多用于控制關鍵基礎措施，攻擊者出于政治目的或經(jīng)濟目的會主動向其發(fā)起攻擊，以期造成嚴重后果。例如，2010年，“震網(wǎng)”病毒席卷全球，伊朗布什爾核電站因遭此攻擊延期運行。因此，近年來，工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題成為一個廣泛關注的熱點問題。

本文主要首先結合工業(yè)控制系統(tǒng)的特點，分析控制系統(tǒng)的要求及其面臨的威脅和攻擊，其次結合相關標準，從網(wǎng)絡防護角度介紹了目前的信息安全解決思路，并介紹了相關的研究趨勢，包括安全通信協(xié)議和安全控制器。

1、工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全分析

1.1工業(yè)控制系統(tǒng)概述

工業(yè)控制系統(tǒng)是以計算機為基本組件，用于監(jiān)測和控制物理過程的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)包含了大部分網(wǎng)絡系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡化系統(tǒng)。根據(jù)其應用范圍，控制系統(tǒng)又可分為過程控制系統(tǒng)（PCS），監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），或網(wǎng)絡一物理系統(tǒng)（CPS）。

控制系統(tǒng)通常由一系列網(wǎng)絡設備構成，包括：傳感器、執(zhí)行器、過程控制單元和通信設備。控制系統(tǒng)通常采用分層結構，典型的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示，第一層為安裝有傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場設備的物理設施，現(xiàn)場設備通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡與可編程邏輯控制器（PLC）或遠程終端設備（RTU）連接，PLC或RTU設備負責實現(xiàn)局域控制功能。第二層為控制網(wǎng)絡，主要負責過程控制器和操作員站之間的實時數(shù)據(jù)傳輸。操作員站用于區(qū)域監(jiān)控和設置物理設施的設定值。第三層為企業(yè)網(wǎng)，企業(yè)工作站負責生產(chǎn)控制，過程優(yōu)化和過程日志記錄。

根據(jù)控制系統(tǒng)的應用特性，可以分為安全相關的應用和非安全相關的應用。安全相關的應用一旦失效，可能會造成受控制的物理系統(tǒng)發(fā)生不可恢復的破壞。如果這類控制系統(tǒng)遭受破壞，將會對公共健康和安全產(chǎn)生重大影響，并導致經(jīng)濟損失。

1.2工業(yè)控制系統(tǒng)的安全要求

傳統(tǒng)IT信息安全的技術相對成熟，但由于其應用場景與控制系統(tǒng)存在許多不同之處，因此，不能直接應用于控制系統(tǒng)的信息安全保護。本節(jié)主要針對控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)IT信息安全的區(qū)別，分析控制系統(tǒng)信息安全的特有屬性，并提出控制系統(tǒng)面臨的新的挑戰(zhàn)。

控制系統(tǒng)的特點之一在于對可用性的要求。因此，傳統(tǒng)信息安全的軟件補丁方式和系統(tǒng)更新頻率對于控制系統(tǒng)不再適用。例如，控制系統(tǒng)的系統(tǒng)升級需要提前幾個月進行計劃，并且更新時需要將系統(tǒng)設為離線狀態(tài)。而且，在工業(yè)應用環(huán)境下，停機更新系統(tǒng)的經(jīng)濟成本很高。此外，有些系統(tǒng)補丁還可能違反控制系統(tǒng)的規(guī)則設定。例如，2008年3月7日，某核電站突然停機，原因是系統(tǒng)中的一臺監(jiān)視工廠數(shù)據(jù)的計算機在軟件更新后重啟。計算機重啟后將控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)重置為默認值，導致安全系統(tǒng)認為用于給核燃料棒降溫的水溫下降。

控制系統(tǒng)的另一個特點在于對實時性的要求川?？刂葡到y(tǒng)的主要任務是對生產(chǎn)過程自動做出實時的判斷與決策。盡管傳統(tǒng)信息安全對可用性的研究很多，但實時可用性需要提供更為嚴格的操作環(huán)境。例如，傳統(tǒng)IT系統(tǒng)中經(jīng)常采用握手協(xié)議和加密等措施增強安全性，而在控制系統(tǒng)中，增加安全措施可能會嚴重影響系統(tǒng)的響應能力，因此不能將傳統(tǒng)信息安全技術直接應用于控制系統(tǒng)中。為了保證控制系統(tǒng)具備更強的安全性，控制網(wǎng)絡需要實現(xiàn)相關安全機制和標準，這就要求網(wǎng)絡滿足一定的性能要求。

除了以上兩個特點，控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)IT信息系統(tǒng)的最大區(qū)別在于控制系統(tǒng)與物理世界存在交互關系?？偟恼f來，信息安全中的許多技術措施和設計準則相對成熟，如認證，訪問控制，消息完整性，最小權限等。利用這些成熟的技術可以幫助我們防御針對控制系統(tǒng)的攻擊。但是，計算機安全主要考慮信息的保護，對于攻擊如何影響物理世界并沒有研究。而且，工業(yè)控制系統(tǒng)的資源有限，生命周期長，不能直接移植傳統(tǒng)IT的信息安全技術。因此，雖然目前的信息安全工具可以為控制系統(tǒng)提供必要的防御機制，但僅僅依靠這些機制，無法為控制系統(tǒng)提供充分的深度保護。

當然，與傳統(tǒng)IT系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)也存在更易操作的特點，為設計系統(tǒng)安全機制提供了便利?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡動態(tài)特性更為簡單，具有服務器變動少、網(wǎng)絡拓撲固定、用戶人群固定、通信類型固定、使用的通信協(xié)議少等特點。

1.3工業(yè)控制系統(tǒng)的威脅

工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的威脅可以分為兩種：系統(tǒng)相關的威脅和過程相關的威脅。典型的系統(tǒng)相關威脅和過程相關威脅如表1所示。

系統(tǒng)相關的威脅是指由于軟件漏洞所造成的威脅?？刂葡到y(tǒng)從廣義上是一種信息系統(tǒng)，會受到系統(tǒng)相關的威脅，如協(xié)議實現(xiàn)漏洞、操作系統(tǒng)漏洞等。在控制系統(tǒng)安全項目CCSP2009報告中，通過CSSP安全評估，將一般控制系統(tǒng)的系統(tǒng)相關威脅分為九種類型。表2列舉了這九種安全問題。

過程相關的威脅是指工業(yè)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程遭受的攻擊。這種攻擊利用過程控制的特點，攻擊者非法獲取用戶訪問權限后，發(fā)布合法的工業(yè)控制系統(tǒng)命令，導致工業(yè)過程的故障?；诠I(yè)控制系統(tǒng)用戶與工業(yè)過程的交互點，可以將過程相關的威脅分為兩類：①影響現(xiàn)場設備的訪問控制的威脅；②影響中央控制臺的威脅。前者通常發(fā)送錯誤的現(xiàn)場數(shù)據(jù)到控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測中心，從而導致系統(tǒng)狀態(tài)分析出現(xiàn)錯誤。后者通常在中央控制臺執(zhí)行合法的命令，但該命令對生產(chǎn)過程而言不合理，將對生產(chǎn)或設備產(chǎn)生負面影響。

控制系統(tǒng)的漏洞一旦被攻擊者利用，會遭受不同類型的攻擊，具體的攻擊形式可以分為：

1）欺騙攻擊：在通信過程中偽裝成某個合法設備。例如，使用一個偽造的網(wǎng)絡源地址。

2）拒絕式服務攻擊：系統(tǒng)中任意資源的不可用。例如，設備因忙于應答大量的惡意流量而無法響應其他消息等。

3）中間人攻擊：攻擊者從通信的一端攔截所有消息，修改消息后再轉發(fā)到終端接收設備。

4）重播攻擊：重復發(fā)送某個過時的消息，如用戶認證或命令等。

2、工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全解決思路

為了防止工業(yè)控制系統(tǒng)在通信過程中遭受上述各種威脅與攻擊，需要使用多層安全措施完成對系統(tǒng)的保護。本文將以現(xiàn)有的研究成果為基礎，從網(wǎng)絡邊界防護、安全協(xié)議和安全控制器方面，介紹控制系統(tǒng)信息安全解決思路。

2.1網(wǎng)絡邊界防護

上文所述工業(yè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)威脅，一方面是由于系統(tǒng)采用傳統(tǒng)IT技術，如操作系統(tǒng)、Web服務器、郵箱的漏洞等造成，另一方面控制系統(tǒng)與企業(yè)網(wǎng)實現(xiàn)互連，暴露于公共網(wǎng)絡之中，面臨更多的攻擊。因此，為了保證工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性，首先需要增強網(wǎng)絡邊界的防護，以降低由企業(yè)網(wǎng)引入的威脅風險。標準SP800-82《工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）安全指南》指出，在處理工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡與其他應用網(wǎng)絡的連接問題時，需要按照最小訪問原則設計，具體分為兩點建議：

1）工業(yè)控制系統(tǒng)部署網(wǎng)絡時，建議隔離工業(yè)控制系統(tǒng)與其他企業(yè)網(wǎng)絡。通常這兩類網(wǎng)絡的流量不同，且企業(yè)網(wǎng)對網(wǎng)絡設備變更沒有指定嚴格的控制規(guī)程；如果工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡流量存在于企業(yè)網(wǎng)上，可能會遭受拒絕服務式攻擊。網(wǎng)絡隔離可以通過采用防火墻等技術實現(xiàn)。

2）如果工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡與企業(yè)網(wǎng)之間必須建立連接，盡可能地只允許建立一個連接，且連接通過防火墻或非軍事區(qū)實現(xiàn)。在具體的技術措施上，SP800-82從身份認證、訪問控制、審計與核查、系統(tǒng)與通信保護等方面詳細介紹了可用的技術措施。

（1）身份認證

通過PIN碼或密碼驗證申請訪問的設備或人員。在網(wǎng)絡上傳輸密碼時需要對密碼進行加密，通過選取合適的加密哈希函數(shù)，可以阻止重播攻擊。密碼認證還可以輔以其他認證措施，如詢問/應答或使用生物令牌或物理令牌。緊急情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)使用密碼和生物認證都存在一定危險。因此在不適合使用密碼的情況下，可以采用嚴密的物理安全控制作為替代。

（2）訪問控制

基于角色的訪問控制（RBAC）可以用于限制用戶的權限，使其能以最小的權限完成任務。系統(tǒng)管理員的通訊需要加以認證，并對其保密性和完整性加以保護，如使用SSHv2和HTTPS協(xié)議。這兩個協(xié)議都使用公鑰/私鑰對進行用戶認證。通信雙方產(chǎn)生并使用對稱密鑰加密數(shù)據(jù)交互過程。

RADJUS遠程認證撥號用戶服務式目前使用最多的認證和授權服務。它使用IEEE802.1×和EAP協(xié)議，可以在網(wǎng)絡的各個層實現(xiàn)用戶認證。例如，防火墻和接入路由可以作為認證代理。

當無線設備或中斷用戶設備需要與其連接時，認證代理向設備發(fā)出詢問，設備通過認證服務器返回認證信息，從而獲得授權和接入許可。

調(diào)制解調(diào)器經(jīng)常用于提供備份連接?；亟邢到y(tǒng)通過存儲于數(shù)據(jù)庫中的回叫號碼，確認撥號者是否為合法用戶。遠程控制軟件需要使用唯一的用戶名和密碼，加密和審計日志。鏈路層的鄰居認證需要使用CHAP協(xié)議等實現(xiàn)。

無線用戶接入和網(wǎng)絡設備間的鏈接可以使用多種方式實現(xiàn)，如IEEE 802.11b/g的網(wǎng)絡接入點方式。所有的無線通信需要使用強加密，如IEEE802.11i中的AEP加密。無線接入需要使用IEEE802.1x認證客戶。

（3）審計與核查

工業(yè)控制系統(tǒng)需要進行周期性的審計，驗證內(nèi)容包括：測試階段的安全控制措施在生產(chǎn)系統(tǒng)中仍安裝使用；生產(chǎn)系統(tǒng)不受安全破壞，如果受到安全破壞則提供攻擊的信息；改動項目需要為所有的變動建立審查和批準的記錄。

周期性的審計結果用一定的度量表示，用于顯示安全性能和安全趨勢。審計需要使用特定工具進行記錄維護，需要工業(yè)控制系統(tǒng)中的組件支持。審計有利于維護工業(yè)控制系統(tǒng)在系統(tǒng)生命周期內(nèi)的完整性。工業(yè)控制系統(tǒng)需要為審計工具提供可靠的同步時間戳。工業(yè)控制系統(tǒng)應用中維護的日志可以存儲于多個地點，加密或不加密都是可以的。

（4）系統(tǒng)與通信保護

系統(tǒng)與通信的保護可以通過網(wǎng)絡防護措施，如防火墻和入侵檢測系統(tǒng)等，以及數(shù)據(jù)加密，如VPN等實現(xiàn)。網(wǎng)絡防火墻控制不同安全等級的網(wǎng)絡區(qū)域間的數(shù)據(jù)流量。NIST SP 800-41為防火墻的選擇和防火墻策略提供了指導。在工業(yè)控制系統(tǒng)環(huán)境下，需要在控制網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)之間部署防火墻。防火墻包含的特征功能包括：事件記錄，入侵檢測系統(tǒng)，基于非軍事區(qū)的路由，訪問列表等。

當系統(tǒng)被嗅探或攻擊時，入侵檢測系統(tǒng)發(fā)出警報。入侵檢測系統(tǒng)通過在網(wǎng)絡的各個關鍵點收集信息，分析數(shù)據(jù)包內(nèi)容發(fā)現(xiàn)惡意流量，并發(fā)出警報、廢棄無效數(shù)據(jù)、記錄事件和活動并觸發(fā)其他安全響應。對于多種工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用協(xié)議所受到的攻擊，如DNP和lCCP，入侵檢測系統(tǒng)也會增加相應的攻擊特征。

基于IPSec的VPN可以為網(wǎng)絡邊界的通信提供安全隧道，通常在相應的防火墻上執(zhí)行。IPsec可以保證完整性、認證和數(shù)據(jù)保密性。在隧道入口處，IP包外增加額外的數(shù)據(jù)包頭，路由器使用新的包頭信息轉發(fā)數(shù)據(jù)，到達隧道出口時，將原始IP包提取出來。在用戶認證過程中，IPSec通常使用私鑰和RSA簽名。在消息認證和完整性保護時，使用MD5或SHA哈希函數(shù)。在數(shù)據(jù)加密時，使用AES或3DES.IPSec還使用Diffie-Hellman作為對稱密鑰推導。IPSec設備使用IKE協(xié)議認證其他設備、協(xié)商和分配對稱加密密鑰以及建立IPSec安全連接。

控制系統(tǒng)的安全管理包括檢測、分析、提供安全和事件響應。具體內(nèi)容包括動態(tài)調(diào)整安全要求，安全漏洞的優(yōu)先級排序，以及安全要求到安全管理的映射：認證和授權服務器，安全密鑰，流量過濾，IDS，登錄等。SNMP用于管理IP網(wǎng)絡資源，如路由，防火墻和服務器等。SNMP也可用于提供控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的集中管理。SNMPv3包括的安全特性有消息完整性，認證和加密。SNMPv3使用MD5和SHA哈希算法和DES以及AES加密算法。

（5）其他措施

為了保證網(wǎng)絡操作的可靠性，工業(yè)控制系統(tǒng)需要設置冗余拓撲和功能。工業(yè)控制系統(tǒng)中大多使用以太網(wǎng)和IP網(wǎng)絡作為通信協(xié)議。以太網(wǎng)層的冗余可以通過在局域網(wǎng)內(nèi)使用RSTP協(xié)議中的網(wǎng)格拓撲而實現(xiàn)。IP層的冗余通過路由間的備份鏈接，如OSPF動態(tài)路由協(xié)議，和IP網(wǎng)絡冗余接人，如VRRP協(xié)議等。MPLS可以為IP網(wǎng)絡中的虛擬任意協(xié)議數(shù)據(jù)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。隧道如L2TP協(xié)議等也可以為IP網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)提供可靠傳輸。

在控制系統(tǒng)中的時鐘和網(wǎng)絡設備需要精確同步，事件日志記錄時也需要記錄下準確的時間。NTP協(xié)議和IEEEl588協(xié)議可以用于時間同步。NTP協(xié)議在因特網(wǎng)中廣泛使用，IEEEl588協(xié)議則主要滿足控制系統(tǒng)對于時鐘同步的要求。這兩種協(xié)議均可由獨立設備提供服務，或者有其他網(wǎng)絡設備的組件提供服務。

2.2協(xié)議安全性

工業(yè)通訊協(xié)議，如MODBUS協(xié)議等，協(xié)議設計時未采取安全措施。然而隨著控制系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡的連接增多，需要增加通信雙方的認證過程。協(xié)議的安全性可以通過兩種方式提高，一是直接修改協(xié)議，增加認證功能；二是在不修改現(xiàn)有協(xié)議的基礎上，增加信息安全層。

文獻設計了一種認證型Modbus協(xié)議，該協(xié)議通過對消息使用加密函數(shù)和哈希鏈，增強Modbus協(xié)議的認證功能，從而使攻擊者無法偽裝成主機。同時利用一個壓縮函數(shù)，減少數(shù)據(jù)存儲大小。這種方式可以增加協(xié)議對于通信雙方的認證過程，但同時也會增加通訊負擔，即每次通話傳輸?shù)南⒍夹枰?jīng)過加密認證，不一定能滿足控制系統(tǒng)對于實時性的要求。因此在設計時需要同時考慮計算效率與計算消耗。

文獻借鑒功能安全的概念，提出了一種在通信系統(tǒng)之上增加信息安全模塊的方法?？刂葡到y(tǒng)的功能安全在傳輸系統(tǒng)的基礎上增加功能安全層，無需改變底層傳輸系統(tǒng)，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的故障安全。類似地，文獻設計一種信息安全模塊，用于保護端到端通信的認證、完整性和保密性。所謂的安全模塊不是指簡單的物理模塊，而是與PROFINET IO中的設備模型相對應，是一個軟件實現(xiàn)。如圖2所示，安全模塊從應用層中獲取過程數(shù)據(jù)，通過加密算法加密過程數(shù)據(jù)，利用MD5算法計算消息完整性編碼，狀態(tài)字節(jié)用于表示消息完整性和超時。安全模塊通過參數(shù)化，可以適應不同的安全需求和不同的計算能力。消息完整性編碼可以防止中間人攻擊，例如，攻擊者截取發(fā)送的消息并篡改過程數(shù)據(jù)，由于沒有密鑰，無法計算出準確的消息完整性編碼，接受者在接收到消息后對MAC進行驗證，如果無法驗證其正確性，則會修改狀態(tài)字節(jié)，用以匯報受攻擊狀態(tài)。

安全模塊是置于PROFINET IO之上的軟件層，只能用于防御基于網(wǎng)絡的攻擊，而不能保證設備安全。如果攻擊者獲取了設備的控制權，那么數(shù)據(jù)會被操控，而安全模塊將無法產(chǎn)生作用。因此，可以將安全模塊可以與設備安全措施相結合，解決設備和網(wǎng)絡安全。

協(xié)議安全性主要是體現(xiàn)在對傳輸數(shù)據(jù)進行加密處理，保證消息的完整性和保密性，并實現(xiàn)對設備的安全認證。在實際應用中，需要考慮兩個影響因素，一方面，由于加密措施的計算量大，對通信實時性和系統(tǒng)的可用資源都會產(chǎn)生影響，二是需要設計合理有效的密鑰管理方法。

3.控制器設計

以上從網(wǎng)絡防護和通訊協(xié)議的角度介紹了兩種安全問題解決思路，但其本質上都是對信息的保護。無論是何種攻擊，其最終的目的都是實現(xiàn)對物理設施的破壞，因此，需要研究攻擊對于系統(tǒng)的狀態(tài)預測和控制算法的影響，從物理系統(tǒng)的角度設計防御措施。

為了理解控制系統(tǒng)與物理世界的交互過程，首先需要分析攻擊對于物理系統(tǒng)的影響；其次基于控制命令和傳感器的測量值，預測物理系統(tǒng)應有的現(xiàn)象，從而判斷是否受到攻擊者的影響；最終在控制器算法設計時將攻擊因素考慮在內(nèi)，設計出一種可以抵御攻擊的控制算法。

文獻對重播攻擊和完整性攻擊進行分析，采用卡爾曼濾波和x2故障檢驗法檢測系統(tǒng)是否受到攻擊。這種檢測方法基于物理模型，可以作為基于網(wǎng)絡和計算機系統(tǒng)模型的入侵檢測的補充。在設計檢測算法時，需要考慮實時性和嵌入式平臺的計算能力限制。

文獻首先建立物理系統(tǒng)的典型模型，將物理系統(tǒng)簡化為一個線性系統(tǒng)。其次，針對DOS攻擊和欺騙攻擊，在原有線性系統(tǒng)模型基礎上增加攻擊因素。如圖3所示，攻擊因素可能分布在閉環(huán)控制回路的不同部分，傳感器部分、執(zhí)行器部分和設備部分。基于不同的攻擊因素，設計帶狀態(tài)監(jiān)測器的控制算法，用以檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。該算法可以使系統(tǒng)在受到拒絕時服務攻擊時，仍然處于安全狀態(tài)；在受到欺騙攻擊時，可以檢測出攻擊。安全控制器的設計目前僅限于學術領域的研究，在實際系統(tǒng)中的應用尚未成熟。這是由于設計控制器需要建立相對精確的物理模型，普適性不高?？赡艿慕鉀Q思路是在控制器的硬件設計時采用主控制器和安全控制器的模式，利用旁道信息，如程序執(zhí)行時間、代碼執(zhí)行順序等，如果主控制器與安全控制器的旁道信息不一致，則采取安全措施。

3、結束語

本文首先研究了工業(yè)控制系統(tǒng)的行業(yè)特點和需求，并分析了工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的威脅，其次在深入了解相關行業(yè)信息安全保障應用行規(guī)之后，介紹了適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全現(xiàn)狀，從網(wǎng)絡防護、協(xié)議安全性和控制器設計這三個角度分析了目前的研究思路，具有一定的借鑒意義。