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《中國制造2025》的戰(zhàn)略任務和重點之一，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)層次結構以及工業(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，總結了國內外工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全相關措施及未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：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)絡技術的發(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、水處理等國家關鍵基礎設施領域的核心控制系統(tǒng)、中樞神經(jīng)。與此同時，隨著企業(yè)管理層對生產過程數(shù)據(jù)的日益關注，工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛采用通用軟硬件和網(wǎng)絡設施，以及與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的集成，傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡所面臨的病毒、木馬、入侵攻擊、拒絕服務等安全威脅已經(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)嚴峻。本文在分析工業(yè)控制系統(tǒng)層次結構及安全因素的基礎上，結合典型工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件，對該領域的現(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)層次結構

目前，典型的工業(yè)控制系統(tǒng)層次結構可分為三層：企業(yè)管理層、數(shù)據(jù)信息層和現(xiàn)場設備層，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)信息層提取有關生產數(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?，F(xiàn)場設備層負責通過組態(tài)設汁，完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、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)層次結構圖

現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡中大量采用通用TCP/IP技術，ICS網(wǎng)絡和企業(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)的層次結構看，公用網(wǎng)絡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)絡技術應用于工業(yè)控制系統(tǒng)，在為工業(yè)生產帶來極大推動作用的同時也帶來了諸如木馬、病毒、網(wǎng)絡攻擊等安全問題。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、通信設備，篡改工業(yè)參數(shù)指令或入侵系統(tǒng)破壞生產設備和生產工藝、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)等領域，給相關企業(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）內部人員的幫助下突破了該公司的安全防護網(wǎng)絡，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，導致當?shù)丨h(huán)境受到嚴重破壞。

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，結果當私人電腦接入核電站網(wǎng)絡時，將電腦上攜帶的SQL Server蠕蟲病毒傳入核電站網(wǎng)絡，致使核電站的控制網(wǎng)絡全面癱瘓，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閉，50000名生產工人被迫停止工作，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)絡上的通信信息過載，導致控制水循環(huán)系統(tǒng)的驅動器失效，使反應堆處于“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，其中伊朗為嚴重，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)服務器與控制器通訊不同程度的中斷[5]。

通過相關工控事件案例分析可以發(fā)現(xiàn)，導致工業(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)的設計開發(fā)并未將系統(tǒng)防護、數(shù)據(jù)保密等安全指標納入其中，另外，工業(yè)控制系統(tǒng)使用的現(xiàn)場控制設備中大量使用了標準的信息網(wǎng)絡技術或產品。這些技術和產品并沒有針對工控系統(tǒng)的應用環(huán)境進行優(yōu)化和專門設計，導致為工控系統(tǒng)引入了大量的漏洞。經(jīng)統(tǒng)計，相關廠商設備漏洞中，羅克韋爾自動化公司相關設備高危漏洞4個，西門子公司相關設備高危漏洞7個，橫河公司相關設備高危漏洞6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不明確，導致網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)傳輸和授權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)，從而導致互聯(lián)網(wǎng)用戶可以利用企業(yè)管理網(wǎng)絡系統(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，但不具有嚴格的安全措施，可能導致系統(tǒng)的非授權訪問。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)國家造成嚴重損失。據(jù)金山網(wǎng)絡安全事業(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注的焦點。工控系統(tǒng)信息安全成為新的關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)的設備，只有小范圍人群了解和掌握。隨著計算機技術的發(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)開始在通用技術的基礎上做專業(yè)的系統(tǒng)設計，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破壞。

針對越發(fā)嚴重的工業(yè)系統(tǒng)入侵等安全事件，世界各國都在積極研究相應的應對措施。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》等標準。

美國成立了工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡應急小組（Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team，ICS-CERT），專注于協(xié)助美國計算機應急相應小組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；引導系統(tǒng)脆弱性分析和惡意軟件分析；提供對事件相應和取證分析的現(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)風險。

目前，我國工控系統(tǒng)的安全形勢非常嚴峻。調查發(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品依然在國內的某些重要裝置上使用。更為嚴重的問題還在于，我們對于發(fā)現(xiàn)風險源頭缺乏手段，對控制風險的技術與方法缺乏必要的研究。對此，我國先后發(fā)布了《關于加強工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理的通知》（[2011]451號）、《關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，但大部分對口標準都在編制過程中。

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，總體上技術研究尚屬起步階段，管理制度不健全，相關標準規(guī)范不完善，技術防護措施不到位，安全防護能力和應急處理能力不高，這些問題都威脅著工業(yè)生產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)信息安全產業(yè)的形成，是未來工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡信息安全發(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)絡化和人機交互人性化。同時將更多的IT技術應用到傳統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)字控制中。工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術未來也將進一步借助傳統(tǒng)IT技術，使其更加智能化、網(wǎng)絡化，成為控制系統(tǒng)*的一部分。與傳統(tǒng)IP互聯(lián)網(wǎng)的信息安全產品研發(fā)路線類似，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產品將在信息安全與工業(yè)生產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、安全輸出類產品體系。值得指出的是，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全認識和相關技術的不斷深化，必將產生一系列與工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全、現(xiàn)場應用環(huán)境緊密，特色鮮明的工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護工具、設備及系統(tǒng)。

5　總結與展望

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滯后于系統(tǒng)本身的建設，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需求，基于國家信息安全標準體系框架，建立工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準體系總體框架。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)有信息安全標準在上述工業(yè)控制系統(tǒng)建設中的應用關系，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，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。