多維視角下的工控網(wǎng)絡(luò)安全研究

◆包 叢 李 煥 李 偉 黃 林 石友晨

多維視角下的工控網(wǎng)絡(luò)安全研究

◆包 叢 李 煥 李 偉 黃 林 石友晨

（新疆油田公司數(shù)據(jù)公司 新疆 834000）

工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）是工業(yè)自動(dòng)化的核心組成部分，同時(shí)也是關(guān)系國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施組成部分。目前，許多大型工業(yè)生產(chǎn)單位的工業(yè)控制系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)。本文基于多維視角，針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全體系，分別從“基（工業(yè)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)現(xiàn)狀）、標(biāo)（工業(yè)控制系統(tǒng)制度標(biāo)準(zhǔn)）、攻（工業(yè)控制系統(tǒng)威脅攻擊）、防（工業(yè)控制系統(tǒng)入侵防范）、評(píng)（工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）”五個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了深入分析與研究，列舉目前工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)以及主要攻擊手段，以及防范措施應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)，有助于企業(yè)工控系統(tǒng)防護(hù)能力和水平的進(jìn)一步提升。

工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全；工業(yè)控制系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)控制系統(tǒng)威脅攻擊；工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control System，ICS）大量運(yùn)用在石油石化、電網(wǎng)、軌道交通等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，它是控制設(shè)備進(jìn)程、傳輸業(yè)務(wù)指令、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的大型智能集成系統(tǒng)[1-2]，能夠收集工控完整數(shù)據(jù)，高效分析處理的業(yè)務(wù)模塊功能[3-4]。如今，ICS系統(tǒng)所面臨的安全形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)的最新調(diào)查報(bào)告，ICS威脅不論是種類、數(shù)量還是風(fēng)險(xiǎn)程度都呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，ICS網(wǎng)絡(luò)攻擊擾亂了系統(tǒng)正常運(yùn)行，有的甚至對(duì)ICS系統(tǒng)發(fā)造成了物理?yè)p害和人員傷亡，被攻擊后所導(dǎo)致的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失成為企業(yè)最大的威脅風(fēng)險(xiǎn)[5]。

本文基于多維視角，針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全體系，分別從“基（工業(yè)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)現(xiàn)狀）、標(biāo)（工業(yè)控制系統(tǒng)制度標(biāo)準(zhǔn)）、攻（工業(yè)控制系統(tǒng)威脅攻擊）、防（工業(yè)控制系統(tǒng)入侵防范）、評(píng)（工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）”五個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了深入分析與研究，列舉目前工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)以及主要攻擊手段，旨在描述目前工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全發(fā)展態(tài)勢(shì)、威脅以及亟待解決問(wèn)題，為企業(yè)工控系統(tǒng)防護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 國(guó)內(nèi)外工控信息安全標(biāo)準(zhǔn)及政策法規(guī)介紹

國(guó)外對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)重要標(biāo)準(zhǔn)及政策基礎(chǔ)的研究相對(duì)早一些，并通過(guò)設(shè)立綜合研究多家科研、管理機(jī)構(gòu)來(lái)支持標(biāo)準(zhǔn)與政策的研發(fā)。關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施方面：2003年美國(guó)頒布《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的識(shí)別、優(yōu)先級(jí)和保護(hù)》、2009年美國(guó)政府頒布“國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)計(jì)劃”（NIPP）[6]、11年發(fā)布“能源供應(yīng)系統(tǒng)信息安全路線圖”[7]、13年美國(guó)頒布《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和恢復(fù)力》、14年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）頒布了《提升關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全的框架》；工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全方面：由國(guó)土安全部成立ICS-CERT（工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急響應(yīng)小組），并建設(shè)了多家工業(yè)控制系統(tǒng)安全研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院制定并不斷完善了NIST SP800-等標(biāo)準(zhǔn)。這些文件與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與實(shí)施，標(biāo)志著美國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)及工業(yè)控制系統(tǒng)安全建設(shè)的工作已趨于成熟。

我國(guó)專家隨即開展一系列針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)制定。2018年9月，全國(guó)信息安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口的17項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將在2019年4月1日起正式實(shí)施，詳細(xì)內(nèi)容包括：GB/T 36626-2018《信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)安全運(yùn)維管理指南》、GB/T 36631-2018《信息安全技術(shù)時(shí)間戳策略和時(shí)間戳業(yè)務(wù)操作規(guī)則》、GB/T 36633-2018《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶身份鑒別技術(shù)指南》、GB/T 36635-2018《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)基本要求與實(shí)施指南》、GB/T 36639-2018《信息安全技術(shù)可信計(jì)算規(guī)范服務(wù)器可信支撐平臺(tái)》、GB/T 36624-2018《信息技術(shù)安全技術(shù)可鑒別的加密機(jī)制》、GB/T 15843.6-2018《信息技術(shù)安全技術(shù)實(shí)體鑒別第6部分：采用人工數(shù)據(jù)傳遞的機(jī)制》、GB/T 36644-2018《信息安全技術(shù)數(shù)字簽名應(yīng)用安全證明獲取方法》[8]。

這些政策標(biāo)準(zhǔn)提供了信息系統(tǒng)安全運(yùn)維管理體系的指導(dǎo)和建議，給出了安全運(yùn)維策略、安全運(yùn)維組織的管理、安全運(yùn)維規(guī)則和安全運(yùn)維支撐系統(tǒng)等方面相關(guān)活動(dòng)的目的、要求和實(shí)施指南。

2 面臨問(wèn)題及防御措施

2.1 工控系統(tǒng)入侵方式

工業(yè)控制系統(tǒng)是通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行連接通訊，組成的控制系統(tǒng)[9]。對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)所面臨的主要威脅的深入分析，有助于改善ICS網(wǎng)絡(luò)的安全狀況，目前ICS信息安全主要的攻擊有：（1）外部威脅APT、目標(biāo)攻擊等，外部攻擊可能涉及政治敵對(duì)勢(shì)力，工業(yè)間諜，黑客活動(dòng)等對(duì)于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的工業(yè)部門；（2）內(nèi)部心懷不滿員工、第三方等，一些心懷不滿的員工、第三方擁有企業(yè)內(nèi)部的核心訪問(wèn)權(quán)限，而大部分企業(yè)的身份認(rèn)證機(jī)構(gòu)不完善，缺乏相關(guān)認(rèn)證機(jī)制與管理制度規(guī)定，所以導(dǎo)致其可以隨心所欲的操控內(nèi)網(wǎng)的任何核心設(shè)備。（3）誤操作行為，一些員工的誤操作行為可能導(dǎo)致配置錯(cuò)誤、口令輸送錯(cuò)誤等，其影響可能會(huì)被外部對(duì)手利用，造成對(duì)系統(tǒng)的二次傷害。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)ICS設(shè)備的攻擊多種多樣，大多數(shù)威脅病毒首先通過(guò)暴露在公網(wǎng)上的工控設(shè)備，然后利用其漏洞進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳播，對(duì)典型的攻擊來(lái)源進(jìn)行簡(jiǎn)單列舉：ICSGhost勒索蠕蟲：劉煜堃等[10]針對(duì)ICS 高度隔離化的問(wèn)題，在主要討論P(yáng)LC 與SCADA系統(tǒng)的上位機(jī)兩種主要的工控組件為前提下，提出新型勒索蠕蟲ICSGhost。由于一部分的工程師們?cè)诰W(wǎng)站上下載了捆綁有勒索病毒的破解版軟件，于是該勒索病毒以工程師站作為初次感染源，然后將其為跳板，對(duì)處于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的工控設(shè)備進(jìn)行攻擊，最后實(shí)現(xiàn)蠕蟲式勒索及感染。像這樣惡意感染的“源碼病毒”還有UnityGhost、SysConst.dcu、Xcode Ghost[11]它們?cè)诰幾g器或者軟件中加載病毒，通過(guò)收集用戶的基礎(chǔ)信息，上傳至惡意網(wǎng)站，并具備遠(yuǎn)程控制能力，接收到服務(wù)器指令后，執(zhí)行多種惡意行為。震網(wǎng)病毒（Stuxnet） Kehe Wu等[12]以智能變電站攻擊為例，利用對(duì)象分層形式的Petri網(wǎng)描述工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊程序的整個(gè)過(guò)程。

2.2 防御措施

IT信息系統(tǒng)防范方式一般從安全技術(shù)體系、安全管理體系與綜合安全體系研究出發(fā)[13]，包括一系列的安全評(píng)估準(zhǔn)則、管理標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)手段，如防病毒技術(shù)、防火墻技術(shù)、入侵檢測(cè)技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。但是工業(yè)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)安全有著巨大差異，大部分工業(yè)控制系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)威脅出現(xiàn)之前創(chuàng)建的，涉及之初并未考慮內(nèi)置外部安全防控措施。

2.2.1入侵檢測(cè)模型

入侵檢測(cè)是指"通過(guò)對(duì)行為、安全日志或?qū)徲?jì)數(shù)據(jù)或其他網(wǎng)絡(luò)上可以獲得的信息進(jìn)行操作，檢測(cè)到對(duì)系統(tǒng)的闖入或闖入的企圖"。入侵檢測(cè)是檢測(cè)和響應(yīng)計(jì)算機(jī)誤用的學(xué)科，其作用包括威懾、檢測(cè)、響應(yīng)、損失情況評(píng)估、攻擊預(yù)測(cè)和起訴支持。入侵檢測(cè)專家系統(tǒng)IDES（ion Detection Expert System）與它的后繼版本NIDES（Next-Generation Intrusion Detection Expert System）均完全基于Denning的模型。該模型的最大缺點(diǎn)是它沒有包含已知系統(tǒng)漏洞或攻擊方法的知識(shí)，而這些知識(shí)在許多情況下是非常有用的信息。國(guó)內(nèi)外各研究學(xué)者針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)中的異常流量、特征庫(kù)匹配、工業(yè)協(xié)議深度解析等研究，提出了多種較為完善的安全防御檢測(cè)模型。Suruz Miah等提出基于深度信任網(wǎng)絡(luò)的云輔助物聯(lián)網(wǎng)（CoT）的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)惡意威脅檢測(cè)模型。尚文利等針對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)異常行為與入侵行為的差異性，提出基于單類支持向量機(jī)的雙輪廓模型異常檢測(cè)方法，用以模擬工控系統(tǒng)通訊的正常模態(tài)和異常模態(tài)，并通過(guò)協(xié)同判別機(jī)制實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的異常檢測(cè)。Andrew Chaves等基于一種工業(yè)控制系統(tǒng)彈性策略，該策略采用主動(dòng)防御技術(shù)來(lái)減少由網(wǎng)絡(luò)攻擊引起的故障可能性。將主動(dòng)防御實(shí)現(xiàn)與使用暴露于網(wǎng)絡(luò)攻擊的半模擬廢水處理系統(tǒng)的傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)彈性實(shí)現(xiàn)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，主動(dòng)防御實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)攻擊后非常有效，而傳統(tǒng)的彈性實(shí)現(xiàn)則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中斷。

2.2.2基于大數(shù)據(jù)的威脅發(fā)現(xiàn)技術(shù)

目前利用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠根據(jù)用戶的上網(wǎng)行為習(xí)慣，建立一個(gè)模型庫(kù)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到用戶的異常行為，及時(shí)對(duì)偏離日常行為的用戶操作指令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)知曉其隱藏的潛在威脅?；诖髷?shù)據(jù)的信息挖掘技術(shù)能夠知曉大量新的網(wǎng)站攻擊特性，對(duì)攻擊源頭及時(shí)溯源，對(duì)威脅到數(shù)據(jù)資產(chǎn)、硬件資產(chǎn)、人員資產(chǎn)、軟件資產(chǎn)以及其他支撐或服務(wù)于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資產(chǎn)。對(duì)于APT高持續(xù)威脅性攻擊，其也有一定的適用性，通過(guò)對(duì)企業(yè)進(jìn)行全流量鏡像，對(duì)受到攻擊后的后驗(yàn)信息進(jìn)行定期歷史關(guān)聯(lián)性分析，及時(shí)溯源并定位攻擊源。

2.2.3基于AI的數(shù)據(jù)安全處理技術(shù)

AI技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)、代碼的分析具有高效、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在提高處理速率的同時(shí)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)流量中的無(wú)數(shù)信息與編碼漏洞，并對(duì)大量偽裝成可執(zhí)行文件、PDF等可疑文檔進(jìn)行偵測(cè)，對(duì)其在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)異常文檔、編碼、報(bào)文及流量。在運(yùn)維方面，AI技術(shù)能夠?qū)⑺鸭降耐獠客{情報(bào)信息及相關(guān)運(yùn)維日志等數(shù)據(jù)源進(jìn)行綜合處理并分析。

2.3 工控安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

工控系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的范圍大致包含如下三個(gè)大的方面：物理安全、技術(shù)安全和管理安全，其中每部分又可以劃分為許多小的方面。目前，評(píng)估方法主要有定性分析法、定量分析、模糊綜合評(píng)判法、層次分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類法等，評(píng)估工具有問(wèn)卷調(diào)查表、檢查列表、人員訪談、漏洞掃描、漏洞挖掘、工控審計(jì)、滲透測(cè)試等。由于工控系統(tǒng)的敏感性和時(shí)效性都要求比較高，因此技術(shù)性的評(píng)估設(shè)備在使用過(guò)程中，需要做好充分的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和處置預(yù)案工作。

3 結(jié)論

本文基于多維視角，針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全體系，分別從“基（工業(yè)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)現(xiàn)狀）、標(biāo)（工業(yè)控制系統(tǒng)制度標(biāo)準(zhǔn)）、攻（工業(yè)控制系統(tǒng)威脅攻擊）、防（工業(yè)控制系統(tǒng)入侵防范）、評(píng)（工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）”五個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了深入分析與研究，列舉目前工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)以及主要攻擊手段，以及防范措施應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)，希望能夠?yàn)檎趶氖鹿I(yè)控制信息安全的研究單位或者學(xué)者提供一些實(shí)例參考。

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