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?，F(xiàn)在，國(guó)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(duì)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(duì)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(tái)進(jìn)行了說(shuō)明。
 
一、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(dòng)化控制組件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)的過(guò)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(guò)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。
 
1.1工業(yè)控制系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)
 
1.操作系統(tǒng)的安全漏洞問(wèn)題
 
由于考慮到工控軟件與操作系統(tǒng)補(bǔ)丁兼容性的問(wèn)題，系統(tǒng)開(kāi)車后一般不會(huì)對(duì)Windows平臺(tái)打補(bǔ)丁，導(dǎo)致系統(tǒng)帶著風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行。
 
2.殺毒軟件安裝及升級(jí)更新問(wèn)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。
 
3.使用U盤、光盤導(dǎo)致的病毒傳播問(wèn)題
 
由于在工控系統(tǒng)中的管理終端一般沒(méi)有技術(shù)措施對(duì)U盤和光盤使用進(jìn)行有效的管理，導(dǎo)致外設(shè)的無(wú)序使用而引發(fā)的安全事件時(shí)有發(fā)生。
 
4.設(shè)備維修時(shí)筆記本電腦的隨便接入問(wèn)題
 
工業(yè)控制系統(tǒng)的管理維護(hù)，沒(méi)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(huì)對(duì)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(wú)意控制的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題
 
如果對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的操作行為沒(méi)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(huì)給工業(yè)控制系統(tǒng)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。
 
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(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而響應(yīng)延遲的問(wèn)題
 
對(duì)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)。
 
1.2"兩化融合"給工控系統(tǒng)帶來(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(dòng)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(duì)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)。
 
1.3工控系統(tǒng)采用通用軟硬件帶來(lái)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(kāi)放性越來(lái)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(kù)也大量的使用了通用的系統(tǒng)，很容易遭到來(lái)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(guò)以上對(duì)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(tái)，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(guò)"三層架構(gòu)，二層防護(hù)"的體系架構(gòu)，對(duì)工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)行分層、分域、分等級(jí)，從而對(duì)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(duì)工控系統(tǒng)操作的唯一性。
 
通過(guò)工控系統(tǒng)安全管理平臺(tái)，確保HMI、管理機(jī)、控制服務(wù)工控通信設(shè)施安全可信。
 
2.1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(jí)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(lái)自于管理信息系統(tǒng)的入侵或病毒行為很容易對(duì)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(wú)法進(jìn)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(jìn)行身份鑒別、訪問(wèn)控制、檢測(cè)審計(jì)、鏈路冗余、內(nèi)容檢測(cè)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(duì)工業(yè)控制層的訪問(wèn)，保證制造執(zhí)行層對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)工藝的過(guò)程監(jiān)視與控制。
 
工業(yè)控制系統(tǒng)是由各種自動(dòng)化控制組件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)的過(guò)程控制組件共同構(gòu)成。主要完成加工作業(yè)、檢測(cè)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(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(wèn)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(duì)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(guò)濾惡意代碼（病毒蠕蟲）。
 
也就是說(shuō)，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(guò)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：
 
 
   
 
 
2、MES層與工業(yè)控制層之間的安全防護(hù)
 
通過(guò)在MES層和生產(chǎn)控制層部署工業(yè)防火墻，可以阻止來(lái)自企業(yè)信息層的病毒傳播；阻擋來(lái)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(guò)工業(yè)防火墻過(guò)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(huì)被控制在最初發(fā)生的區(qū)域內(nèi)，而不會(huì)影響到其它部分。
 
實(shí)時(shí)報(bào)警：任何非法的訪問(wèn)，通過(guò)管理平臺(tái)產(chǎn)生實(shí)時(shí)報(bào)警信息，從而使故障問(wèn)題會(huì)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：
 
 
    
 
 
2.1.3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(wèn)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(duì)安全域進(jìn)行安全防護(hù)。對(duì)MES、ICS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(duì)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)。
 
2.1.4工控系統(tǒng)安全防護(hù)分等級(jí)
 
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(jí)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(jí)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(jí)、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(jí)也就越高。
 
2.2構(gòu)建工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)
 
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(wèn)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(tái)為工業(yè)控制系統(tǒng)建立了一個(gè)相對(duì)可信的計(jì)算環(huán)境，對(duì)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(tái)有兩部分組成，一部分是工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)，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(tái)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(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(duì)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(tái)功能如下：
 
1.能夠?qū)?yīng)用服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)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。
 
2.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。
 
3.能夠?qū)Ω鲗舆吔鐢?shù)據(jù)交換情況進(jìn)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(jìn)行審計(jì)。
 
5.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)。
 
6.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)。
 
7.能夠?qū)I(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)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(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(guò)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)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。
 
2.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)客戶端具有終端準(zhǔn)入控制功能，可以防止沒(méi)有達(dá)到安全基線的筆記本對(duì)終端進(jìn)行管理。
 
3.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)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。
 
4.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)客戶端具有外設(shè)管理功能，對(duì)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。
 
5.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)客戶端具有工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序監(jiān)控功能，對(duì)終端中的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行監(jiān)控和管理。
 
6.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)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(duì)固定，客戶端能夠?qū)K端通信協(xié)議具有唯一性管理功能。
 
7.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)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(wú)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(duì)離線終端的管理。
 
8.工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)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(wú)意被控制的風(fēng)險(xiǎn)。
 
三、總結(jié)
 
國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起由于工控系統(tǒng)安全問(wèn)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(jí)政府和國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(hù)的特點(diǎn)，提出了對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行分層、分域、分等級(jí)，構(gòu)建"三層架構(gòu)，二層防護(hù)"的工業(yè)控制系統(tǒng)安全體系架構(gòu)思想；通過(guò)分析工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)作為工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)的核心產(chǎn)品--工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理平臺(tái)功能進(jìn)行了說(shuō)明。工控系統(tǒng)安全管理平臺(tái)，不僅是實(shí)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(shí)施和操作行為的平臺(tái)。

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