工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題及解決方案分析

工業(yè)控制系統(tǒng)在過程生產(chǎn)、電力設(shè)施、水力油氣和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全性主要依賴于其技術(shù)的隱秘性，幾乎未采取任何安全措施。隨著企業(yè)管理層對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的日益關(guān)注，工業(yè)控制系統(tǒng)越來越多地采用開放lnternet技術(shù)實(shí)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(chǔ)上開發(fā)協(xié)議，通信應(yīng)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(luò)互連時(shí)，這些漏洞將會(huì)暴露給潛在攻擊者。此外，工業(yè)控制系統(tǒng)多用于控制關(guān)鍵基礎(chǔ)措施，攻擊者出于政治目的或經(jīng)濟(jì)目的會(huì)主動(dòng)向其發(fā)起攻擊，以期造成嚴(yán)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(yùn)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(gè)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

本文主要首先結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析控制系統(tǒng)的要求及其面臨的威脅和攻擊，其次結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從網(wǎng)絡(luò)防護(hù)角度介紹了目前的信息安全解決思路，并介紹了相關(guān)的研究趨勢(shì)，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(jì)算機(jī)為基本組件，用于監(jiān)測(cè)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(luò)系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。根據(jù)其應(yīng)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(luò)一物理系統(tǒng)(CPS)。

控制系統(tǒng)通常由一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，包括：傳感器、執(zhí)行器、過程控制單元和通信設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)通常采用分層結(jié)構(gòu)，典型的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，第一層為安裝有傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的物理設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與可編程邏輯控制器(PLC)或遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)連接，PLC或RTU設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)局域控制功能。第二層為控制網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)過程控制器和操作員站之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。操作員站用于區(qū)域監(jiān)控和設(shè)置物理設(shè)施的設(shè)定值。第三層為企業(yè)網(wǎng)，企業(yè)工作站負(fù)責(zé)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(yīng)用特性，可以分為安全相關(guān)的應(yīng)用和非安全相關(guān)的應(yīng)用。安全相關(guān)的應(yīng)用一旦失效，可能會(huì)造成受控制的物理系統(tǒng)發(fā)生不可恢復(fù)的破壞。如果這類控制系統(tǒng)遭受破壞，將會(huì)對(duì)公共健康和安全產(chǎn)生重大影響，并導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)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(shù)相對(duì)成熟，但由于其應(yīng)用場(chǎng)景與控制系統(tǒng)存在許多不同之處，因此，不能直接應(yīng)用于控制系統(tǒng)的信息安全保護(hù)。本節(jié)主要針對(duì)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(diǎn)之一在于對(duì)可用性的要求。因此，傳統(tǒng)信息安全的軟件補(bǔ)丁方式和系統(tǒng)更新頻率對(duì)于控制系統(tǒng)不再適用。例如，控制系統(tǒng)的系統(tǒng)升級(jí)需要提前幾個(gè)月進(jìn)行計(jì)劃，并且更新時(shí)需要將系統(tǒng)設(shè)為離線狀態(tài)。而且，在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，停機(jī)更新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本很高。此外，有些系統(tǒng)補(bǔ)丁還可能違反控制系統(tǒng)的規(guī)則設(shè)定。例如，2008年3月7日，某核電站突然停機(jī)，原因是系統(tǒng)中的一臺(tái)監(jiān)視工廠數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)在軟件更新后重啟。計(jì)算機(jī)重啟后將控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)重置為默認(rèn)值，導(dǎo)致安全系統(tǒng)認(rèn)為用于給核燃料棒降溫的水溫下降。

控制系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)在于對(duì)實(shí)時(shí)性的要求川?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)過程自動(dòng)做出實(shí)時(shí)的判斷與決策。盡管傳統(tǒng)信息安全對(duì)可用性的研究很多，但實(shí)時(shí)可用性需要提供更為嚴(yán)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(qiáng)安全性，而在控制系統(tǒng)中，增加安全措施可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的響應(yīng)能力，因此不能將傳統(tǒng)信息安全技術(shù)直接應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。為了保證控制系統(tǒng)具備更強(qiáng)的安全性，控制網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)相關(guān)安全機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)，這就要求網(wǎng)絡(luò)滿足一定的性能要求。

除了以上兩個(gè)特點(diǎn)，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(guān)系?？偟恼f來，信息安全中的許多技術(shù)措施和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相對(duì)成熟，如認(rèn)證，訪問控制，消息完整性，最小權(quán)限等。利用這些成熟的技術(shù)可以幫助我們防御針對(duì)控制系統(tǒng)的攻擊。但是，計(jì)算機(jī)安全主要考慮信息的保護(hù)，對(duì)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(zhǎng)，不能直接移植傳統(tǒng)IT的信息安全技術(shù)。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(jī)制，但僅僅依靠這些機(jī)制，無法為控制系統(tǒng)提供充分的深度保護(hù)。

當(dāng)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(diǎn)，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全機(jī)制提供了便利。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性更為簡(jiǎn)單，具有服務(wù)器變動(dòng)少、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔潭?、用戶人群固定、通信類型固定、使用的通信協(xié)議少等特點(diǎn)。

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(guān)的威脅和過程相關(guān)的威脅。典型的系統(tǒng)相關(guān)威脅和過程相關(guān)威脅如表1所示。

系統(tǒng)相關(guān)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(huì)受到系統(tǒng)相關(guān)的威脅，如協(xié)議實(shí)現(xiàn)漏洞、操作系統(tǒng)漏洞等。在控制系統(tǒng)安全項(xiàng)目CCSP2009報(bào)告中，通過CSSP安全評(píng)估，將一般控制系統(tǒng)的系統(tǒng)相關(guān)威脅分為九種類型。表2列舉了這九種安全問題。

過程相關(guān)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(diǎn)，攻擊者非法獲取用戶訪問權(quán)限后，發(fā)布合法的工業(yè)控制系統(tǒng)命令，導(dǎo)致工業(yè)過程的故障。基于工業(yè)控制系統(tǒng)用戶與工業(yè)過程的交互點(diǎn)，可以將過程相關(guān)的威脅分為兩類：①影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的訪問控制的威脅;②影響中央控制臺(tái)的威脅。前者通常發(fā)送錯(cuò)誤的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)到控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心，從而導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)分析出現(xiàn)錯(cuò)誤。后者通常在中央控制臺(tái)執(zhí)行合法的命令，但該命令對(duì)生產(chǎn)過程而言不合理，將對(duì)生產(chǎn)或設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。

控制系統(tǒng)的漏洞一旦被攻擊者利用，會(huì)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(gè)合法設(shè)備。例如，使用一個(gè)偽造的網(wǎng)絡(luò)源地址。

2)拒絕式服務(wù)攻擊：系統(tǒng)中任意資源的不可用。例如，設(shè)備因忙于應(yīng)答大量的惡意流量而無法響應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)到終端接收設(shè)備。

4)重播攻擊：重復(fù)發(fā)送某個(gè)過時(shí)的消息，如用戶認(rèn)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(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。本文將以現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，從網(wǎng)絡(luò)邊界防護(hù)、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(luò)邊界防護(hù)

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(shù)，如操作系統(tǒng)、Web服務(wù)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(shí)現(xiàn)互連，暴露于公共網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)網(wǎng)絡(luò)邊界的防護(hù)，以降低由企業(yè)網(wǎng)引入的威脅風(fēng)險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)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(luò)與其他應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的連接問題時(shí)，需要按照最小訪問原則設(shè)計(jì)，具體分為兩點(diǎn)建議：

1)工業(yè)控制系統(tǒng)部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)，建議隔離工業(yè)控制系統(tǒng)與其他企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。通常這兩類網(wǎng)絡(luò)的流量不同，且企業(yè)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變更沒有指定嚴(yán)格的控制規(guī)程;如果工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量存在于企業(yè)網(wǎng)上，可能會(huì)遭受拒絕服務(wù)式攻擊。網(wǎng)絡(luò)隔離可以通過采用防火墻等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2)如果工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(gè)連接，且連接通過防火墻或非軍事區(qū)實(shí)現(xiàn)。在具體的技術(shù)措施上，SP800-82從身份認(rèn)證、訪問控制、審計(jì)與核查、系統(tǒng)與通信保護(hù)等方面詳細(xì)介紹了可用的技術(shù)措施。

(1)身份認(rèn)證

通過PIN碼或密碼驗(yàn)證申請(qǐng)?jiān)L問的設(shè)備或人員。在網(wǎng)絡(luò)上傳輸密碼時(shí)需要對(duì)密碼進(jìn)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(rèn)證還可以輔以其他認(rèn)證措施，如詢問/應(yīng)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(rèn)證都存在一定危險(xiǎn)。因此在不適合使用密碼的情況下，可以采用嚴(yán)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(quán)限，使其能以最小的權(quán)限完成任務(wù)。系統(tǒng)管理員的通訊需要加以認(rèn)證，并對(duì)其保密性和完整性加以保護(hù)，如使用SSHv2和HTTPS協(xié)議。這兩個(gè)協(xié)議都使用公鑰/私鑰對(duì)進(jìn)行用戶認(rèn)證。通信雙方產(chǎn)生并使用對(duì)稱密鑰加密數(shù)據(jù)交互過程。

RADJUS遠(yuǎn)程認(rèn)證撥號(hào)用戶服務(wù)式目前使用最多的認(rèn)證和授權(quán)服務(wù)。它使用IEEE802.1×和EAP協(xié)議，可以在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層實(shí)現(xiàn)用戶認(rèn)證。例如，防火墻和接入路由可以作為認(rèn)證代理。

當(dāng)無線設(shè)備或中斷用戶設(shè)備需要與其連接時(shí)，認(rèn)證代理向設(shè)備發(fā)出詢問，設(shè)備通過認(rèn)證服務(wù)器返回認(rèn)證信息，從而獲得授權(quán)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(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的回叫號(hào)碼，確認(rèn)撥號(hào)者是否為合法用戶。遠(yuǎn)程控制軟件需要使用唯一的用戶名和密碼，加密和審計(jì)日志。鏈路層的鄰居認(rèn)證需要使用CHAP協(xié)議等實(shí)現(xiàn)。

無線用戶接入和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的鏈接可以使用多種方式實(shí)現(xiàn)，如IEEE 802.11b/g的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)方式。所有的無線通信需要使用強(qiáng)加密，如IEEE802.11i中的AEP加密。無線接入需要使用IEEE802.1x認(rèn)證客戶。

(3)審計(jì)與核查

工業(yè)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行周期性的審計(jì)，驗(yàn)證內(nèi)容包括：測(cè)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(dòng)項(xiàng)目需要為所有的變動(dòng)建立審查和批準(zhǔn)的記錄。

周期性的審計(jì)結(jié)果用一定的度量表示，用于顯示安全性能和安全趨勢(shì)。審計(jì)需要使用特定工具進(jìn)行記錄維護(hù)，需要工業(yè)控制系統(tǒng)中的組件支持。審計(jì)有利于維護(hù)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(jì)工具提供可靠的同步時(shí)間戳。工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中維護(hù)的日志可以存儲(chǔ)于多個(gè)地點(diǎn)，加密或不加密都是可以的。

(4)系統(tǒng)與通信保護(hù)

系統(tǒng)與通信的保護(hù)可以通過網(wǎng)絡(luò)防護(hù)措施，如防火墻和入侵檢測(cè)系統(tǒng)等，以及數(shù)據(jù)加密，如VPN等實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)防火墻控制不同安全等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)。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(cè)系統(tǒng)，基于非軍事區(qū)的路由，訪問列表等。

當(dāng)系統(tǒng)被嗅探或攻擊時(shí)，入侵檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。入侵檢測(cè)系統(tǒng)通過在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(bào)、廢棄無效數(shù)據(jù)、記錄事件和活動(dòng)并觸發(fā)其他安全響應(yīng)。對(duì)于多種工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用協(xié)議所受到的攻擊，如DNP和lCCP，入侵檢測(cè)系統(tǒng)也會(huì)增加相應(yīng)的攻擊特征。

基于IPSec的VPN可以為網(wǎng)絡(luò)邊界的通信提供安全隧道，通常在相應(yīng)的防火墻上執(zhí)行。IPsec可以保證完整性、認(rèn)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，到達(dá)隧道出口時(shí)，將原始IP包提取出來。在用戶認(rèn)證過程中，IPSec通常使用私鑰和RSA簽名。在消息認(rèn)證和完整性保護(hù)時(shí)，使用MD5或SHA哈希函數(shù)。在數(shù)據(jù)加密時(shí)，使用AES或3DES.IPSec還使用Diffie-Hellman作為對(duì)稱密鑰推導(dǎo)。IPSec設(shè)備使用IKE協(xié)議認(rèn)證其他設(shè)備、協(xié)商和分配對(duì)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(cè)、分析、提供安全和事件響應(yīng)。具體內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)調(diào)整安全要求，安全漏洞的優(yōu)先級(jí)排序，以及安全要求到安全管理的映射：認(rèn)證和授權(quán)服務(wù)器，安全密鑰，流量過濾，IDS，登錄等。SNMP用于管理IP網(wǎng)絡(luò)資源，如路由，防火墻和服務(wù)器等。SNMP也可用于提供控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的集中管理。SNMPv3包括的安全特性有消息完整性，認(rèn)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(luò)操作的可靠性，工業(yè)控制系統(tǒng)需要設(shè)置冗余拓?fù)浜凸δ?。工業(yè)控制系統(tǒng)中大多使用以太網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)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?fù)涠鴮?shí)現(xiàn)。IP層的冗余通過路由間的備份鏈接，如OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，和IP網(wǎng)絡(luò)冗余接人，如VRRP協(xié)議等。MPLS可以為IP網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的數(shù)據(jù)提供可靠傳輸。

在控制系統(tǒng)中的時(shí)鐘和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要精確同步，事件日志記錄時(shí)也需要記錄下準(zhǔn)確的時(shí)間。NTP協(xié)議和IEEEl588協(xié)議可以用于時(shí)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(duì)于時(shí)鐘同步的要求。這兩種協(xié)議均可由獨(dú)立設(shè)備提供服務(wù)，或者有其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的組件提供服務(wù)。

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(shè)計(jì)時(shí)未采取安全措施。然而隨著控制系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接增多，需要增加通信雙方的認(rèn)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(rèn)證功能;二是在不修改現(xiàn)有協(xié)議的基礎(chǔ)上，增加信息安全層。

文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種認(rèn)證型Modbus協(xié)議，該協(xié)議通過對(duì)消息使用加密函數(shù)和哈希鏈，增強(qiáng)Modbus協(xié)議的認(rèn)證功能，從而使攻擊者無法偽裝成主機(jī)。同時(shí)利用一個(gè)壓縮函數(shù)，減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小。這種方式可以增加協(xié)議對(duì)于通信雙方的認(rèn)證過程，但同時(shí)也會(huì)增加通訊負(fù)擔(dān)，即每次通話傳輸?shù)南⒍夹枰?jīng)過加密認(rèn)證，不一定能滿足控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮計(jì)算效率與計(jì)算消耗。

文獻(xiàn)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(chǔ)上增加功能安全層，無需改變底層傳輸系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障安全。類似地，文獻(xiàn)設(shè)計(jì)一種信息安全模塊，用于保護(hù)端到端通信的認(rèn)證、完整性和保密性。所謂的安全模塊不是指簡(jiǎn)單的物理模塊，而是與PROFINET IO中的設(shè)備模型相對(duì)應(yīng)，是一個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，安全模塊從應(yīng)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(jì)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(shí)。安全模塊通過參數(shù)化，可以適應(yīng)不同的安全需求和不同的計(jì)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(jì)算出準(zhǔn)確的消息完整性編碼，接受者在接收到消息后對(duì)MAC進(jìn)行驗(yàn)證，如果無法驗(yàn)證其正確性，則會(huì)修改狀態(tài)字節(jié)，用以匯報(bào)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(luò)的攻擊，而不能保證設(shè)備安全。如果攻擊者獲取了設(shè)備的控制權(quán)，那么數(shù)據(jù)會(huì)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(shè)備安全措施相結(jié)合，解決設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全。

協(xié)議安全性主要是體現(xiàn)在對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，保證消息的完整性和保密性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的安全認(rèn)證。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮兩個(gè)影響因素，一方面，由于加密措施的計(jì)算量大，對(duì)通信實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的可用資源都會(huì)產(chǎn)生影響，二是需要設(shè)計(jì)合理有效的密鑰管理方法。

3.控制器設(shè)計(jì)

以上從網(wǎng)絡(luò)防護(hù)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(zhì)上都是對(duì)信息的保護(hù)。無論是何種攻擊，其最終的目的都是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)施的破壞，因此，需要研究攻擊對(duì)于系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測(cè)和控制算法的影響，從物理系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)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(duì)于物理系統(tǒng)的影響;其次基于控制命令和傳感器的測(cè)量值，預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)將攻擊因素考慮在內(nèi)，設(shè)計(jì)出一種可以抵御攻擊的控制算法。

文獻(xiàn)對(duì)重播攻擊和完整性攻擊進(jìn)行分析，采用卡爾曼濾波和x2故障檢驗(yàn)法檢測(cè)系統(tǒng)是否受到攻擊。這種檢測(cè)方法基于物理模型，可以作為基于網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型的入侵檢測(cè)的補(bǔ)充。在設(shè)計(jì)檢測(cè)算法時(shí)，需要考慮實(shí)時(shí)性和嵌入式平臺(tái)的計(jì)算能力限制。

文獻(xiàn)首先建立物理系統(tǒng)的典型模型，將物理系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)線性系統(tǒng)。其次，針對(duì)DOS攻擊和欺騙攻擊，在原有線性系統(tǒng)模型基礎(chǔ)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(shè)備部分。基于不同的攻擊因素，設(shè)計(jì)帶狀態(tài)監(jiān)測(cè)器的控制算法，用以檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。該算法可以使系統(tǒng)在受到拒絕時(shí)服務(wù)攻擊時(shí)，仍然處于安全狀態(tài);在受到欺騙攻擊時(shí)，可以檢測(cè)出攻擊。安全控制器的設(shè)計(jì)目前僅限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究，在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用尚未成熟。這是由于設(shè)計(jì)控制器需要建立相對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(jié)束語

本文首先研究了工業(yè)控制系統(tǒng)的行業(yè)特點(diǎn)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(guān)行業(yè)信息安全保障應(yīng)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(luò)防護(hù)、協(xié)議安全性和控制器設(shè)計(jì)這三個(gè)角度分析了目前的研究思路，具有一定的借鑒意義。