北京力控华康魏钦志
摘要：随着“两化”融合的推进和以太网技术在工业控制系统中的大量应用，进而引发的病毒和木马对SCADA系统的攻击事件频发，直接影响公共基础设施的安全，其造成的损失可能非常巨大，甚至不可估量。而在工业控制系统中，工控网络管理和维护存在着特殊性，不同设备厂家使用不同的通信协议/规约，不同的行业对系统网络层次设计要求也各不相同，直接导致商用IT网络的安全技术无法适应工业控制系统。本文将从工业控制的角度，分析工业控制系统安全的特殊性，并提出针对工控系统安全的综合解决方案。
关键字：工业控制系统安全两化融合SCADA 工业协议
一、工业控制系统介绍
1、工业控制系统
工业控制系统（Industrial Control Systems, ICS），由几种不同类型的控制系统组成，包括监控数据采集系统（SCADA），分布式控制系统（DCS），过程控制系统（PCS）、可编程逻辑控制器（PLC）和远程测控单元（RTU）等，广泛运用于石油、石化、冶金、电力、燃气、煤矿、烟草以及市政等领域， 用于控制关键生产设备的运行。这些领域中的工业控制系统一旦遭到破坏，不仅会影响产业经济的持续发展，更会对国家安全造成巨大的损害。
国外典型工业控制系统入侵事件：
⏹2007 年，攻击者入侵加拿大的一个水利SCADA 控制系统，通过安装恶意软件破坏了用
于取水调度的控制计算机；
⏹2008 年，攻击者入侵波兰某城市的地铁系统，通过电视遥控器改变轨道扳道器，导致欲望教师
4 节车厢脱轨；
⏹2010 年，“网络超级武器”Stuxnet 病毒通过针对性的入侵ICS 系统，严重威胁到伊
博尔赫斯南方朗布什尔核电站核反应堆的安全运营；
⏹2011 年，黑客通过入侵数据采集与监控系统SCADA，使得美国伊利诺伊州城市供水系
统的供水泵遭到破坏。
2、工业控制网络的发展
现场总线技术作为传统的数据通讯方式广泛地应用在工业控制中。经过多年的争论和斗争后，现场总线国际标准IEC–61158 放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括10 种类型总线的国际标准。因此，各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。多种现场总线协议和标准的共存，意味着在各总线之间实现相互操作、相互兼容的代价是高昂的，且困难的。
目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“数字工厂”。此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向订单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求。
3、工业网络协议
目前，市场上具有以太网接口和TCP/IP协议的设备很多。以太网技术的高速发展及它的80%的市场占有率和现场总线的明显缺陷，促使工控领域的各大厂商纷纷研发出适合自己工控产品且兼容性强的工业以太网。其中应用较为广泛的工业以太网之一是德国西门子公司研发的SIMATIC NET工业以太网；拥有丰富的工业应用经验的施耐德电气公司，也推出了一系列完整、以TCP/IP 以太网为基础、对用户
高度友好的服务，专门用于工业控制领域。自1979 年以来，Modbus 就已成为工业领域串行链路协议方面的事实标准，它已经在数以百万计的自动化设备中作为通信协议得到了应用。由于它的成功应用，互联网社团给Modbus 协议保留了TCP 502 端口作为专用端口。通过Modbus 消息可以在TCP/IP 以太网和互联网上交换自动化数据，以及其它各种应用( 文件交换、网页、等等)。
其它知名的工控硬件厂商，也提供了支持以太网接口的通信协议。如Rockwell支持的EtherNet/IP协议，GE支持的SRTP TCP/IP、EGD、MODBUS TCP/IP协议，浙大中控、和利时支持的OPC协议等。如今，在同一个网络上，无需任何接口就可以有机地融合信息技术与自动化已成为现实。
二、工业控制系统的安全现状分析
1、工业控制系统的安全威胁：
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一旦工业控制系统信息安全出现漏洞，将对工业生产运行和国家经济安全造成重大隐患。随着计算机和网络技术的发展，特别是信息化与工业化深度融合以及物联网的快速发展，工业控制系统产品越来越多地采用通用协议、通用硬件和通用软件，以各种方式与互联网等公共网络连接，病毒、木马等威胁正在向工业控制系统扩散，工业控制系统信息安全问题日益突出。““震网”病毒事件，充分反映出工业控制系统信息安全面临着严峻的形势。与此同时，我国工业控制系统信息安全管理工作中仍存在不少问题，主要是对工业控制系统信息安全问题重视不够，管理制度不健全，相关标准规范缺失，技术
防护措施不到位，安全防护能力和应急处置能力不高等，威胁着工业生产安全和社会正常运转。
2、工业控制网络的安全隐患：
2.1、非授权使用：入侵
系统被入侵是系统常见的一种安全隐患。黑客侵入计算机和网络可以非法使用计算机和网络资源，甚至是完全掌控计算机和网络。
控制网络的计算机终端和网络往往可以控制或影响诸如大型化工装置、公用工程设备，甚至核电站安全系统等大型工程化设备。黑客一旦控制该系统，对系统造成一些参数的修改，就可能导致生产运行的瘫痪，就意味着可能利用被感染的控制中心系统破坏生产过程、切断整个城市的供电系统、恶意污染饮用水甚至是破坏核电站的正常运行。随着近些年来越来越多的控制网络接入到互联网当中，这种可能就越来越大。
2.2、拒绝服务攻击
受到拒绝服务攻击是一种危害很大的安全隐患。常见的流量型攻击如Ping Flooding、UDP Flooding等，以及常见的连接型攻击如SYN Flooding、ACK Flooding等，通过消耗系统的资源，如网络带宽、连接数、CPU处理能力等使得正常的服务功能无法进行。拒绝服务攻击难以防范的原因是它的攻击对
象非常普遍，从服务器到各种网络设备如路由器、交换机、防火墙等都可以被拒绝服务攻击。
控制网络一旦遭受严重的拒绝服务攻击就会导致操作站的服务瘫痪，与控制系统的通信完全中断等。可以想象，受到拒绝服务攻击后的控制网络可能导致网络中所有操作站和监控终端无法进行实时监控，其后果是非常严重的。而传统的安全技术对拒绝服务攻击几乎不可避免，缺乏有效的手段来解决。
2.3、病毒攻击：
mapguideStuxnet蠕虫病毒对西门子公司的数据采集与监控系统SIMATIC进行攻击，Stuxnet蠕虫（俗称“震网”）在2010年7月开始爆发。它利用了微软操作系统中至少4个漏洞，其中有3个全新的零日漏洞；伪造驱动程序的数字签名；通过一套完整的入侵和传播流程，突破工业专用局域网的物理限制；利用SIMATIC系统的2个漏洞，对其开展破坏性攻击。它是第一个直接破坏现实世界中工业基础设施的恶意代码。据赛门铁克公司的统计，目前全球已有约45000个网络被该蠕虫感染，其中60%的受害主机位于伊朗境内。伊朗政府已经确认该国的布什尔核电站遭到Stuxnet蠕虫的攻击。
为此工信部于2011年10 月份发布了《关于加强工业控制系统信息安全管理的通知》工信部协[2011]451号文件，要求加强国家主要工业领域基础设施控制系统与SCADA 系统的安全保护工作。
Stuxnet是一个专门针对特定工业控制系统的威胁，Stuxnet的终极目标是帮助袭击者实现破坏可编程逻辑控制器(plc)的程序，以及控制网络的边界。伊朗已经检测到了被专家们认为是基于“震网”病毒的“Duqu”计算机病毒。专家们表示，尽管“震网”病毒意在破坏工业控制系统，并且可能已经摧毁了伊朗的一些用于铀浓缩的离心机，但是“Duqu”病毒
似乎专为收集数据而来，其目的是使未来发动网络袭击变得更加容易。赛门铁克公司称：“‘Duqu’病毒基本上是未来‘震网’式袭击的预兆。”该公司在发布的报告中指出，这个变种新病毒的目的不是破坏工业控制系统，而是获得远距离的进入能力。
2.4、开放式OPC接口的安全性
OPC全称是Object Linking and Embeding（OLE）for Process Control，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，在给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE 标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。
OPC因为其基于DCOM技术，在进行数据通讯时，为了响应请求，操作系统就会为开放从1024到5000动态端口使用，所以IT部门在使用普通商用防火墙时根本没有任何意义。对于一般防火墙更无法进行剖析，而使OPC客户端可以轻易对OPC服务器数据项进行读写，一旦黑客对客户端电脑取得控制权，控制系统就面临很大风险。黑客可以很轻松的获得系统所开放的端口，获取/伪装管理员身份，对系统进行恶意破坏，影响企业的正常生产运营。
3、SCADA系统软件的漏洞：
国家信息安全漏洞共享平台（China National Vulnerability Database，简称CNVD），在2011年CNVD收录了100余个对我国影响广泛的工业控制系统软件安全漏洞，较2010年大幅增长近10倍，涉及西门子、北京三维力控和北京亚控等国内外知名工业控制系统制造商的产品。相关企业虽然积极配合CNCERT处理了安全漏洞，但这些漏洞可能被黑客或恶意软件利用。
4、与商用网络的对比：
在商用网络里可以存在病毒，几乎每天都有新的补丁出现，计算机可能会死机、暂停，而这些如果发生在控制网络里，带来的危险和影响几乎是不可想象的。为了保证生产安全，在极端情况下，即便将控制网络与信息网络断开，停止与信息网络交换数据也要保证控制系统的安全。因此，过程生产的连续不可间断的高可靠性，要求控制网络具备更高的安全性。
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另外，从数据安全角度来看，商用网络往往对数据的私密性要求很高，要防止信息的泄露，而控制网络强调的是数据的可靠性。另外，商用网络的应用数据类型极其复杂，传输的通信标准多样化，如HTTP、SMTP、FTP、SOAP等；而控制网络的应用数据类型相对单一，以过程数据为主，传输的通信标准以工业通信标准为主，如OPC、Modbus等。
三、工业控制系统安全测试、评估及目标
1、保证安全管理的可控性
目前，许多工业控制系统的用户将已经开始关注，并试图寻求最好的安全管理办法。但是在确保控制系统的意见时，一个常见的误区是，他们把主要工作在信息技术（IT）领域的专业人士。做过控制系统工程的人都知道，这两个世界是截然不同的。最明显的区别是典型的优先权问题，IT人士在部署安全策略时，在网络畅通的情况下，尽量保证网络安全。而工业控制网则正相反，工业控制网络要求传输“绝对、必需的”业务，与业务不相关的数据均不允许通过，即使认为是安全的，也会被过滤或限制。
2、整体防护策略
也许应对一个工厂或是一个应用程序已经绰绰有余，但许多使用者需要管理的是几十甚至是几百个工厂的安全防护体系。
例如，昆仑燃气公司在全国各地拥有100多家子公司，覆盖近100座城市，供气能力达50亿方以上。为了保护其PLC的监控系统、数据采集（SCADA）系统和分布式控制系统（DCS），液化气集团很早就dna探针
认识到它必须建立网络防护体系以应对可能的网络威胁。虽然他们已经实施了复杂的防火墙规则和嵌入式监控系统，但信息化评估结果显示，他们需要更多的SCADA 监测和工业网络保护。
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