石永杰,于慧超,呂 峰,張 暢,吳亞萍
(1.中國石油天然氣股份公司西北銷售公司,甘肅 蘭州 730070;2.中國石油天然氣股份公司北京油氣調(diào)控中心,北京100007;3.北京啟明星辰信息安全技術(shù)有限公司,北京 100193)
目前國際網(wǎng)絡(luò)空間日益復(fù)雜。分析伊朗核電站、2019年委內(nèi)瑞拉電癱瘓等網(wǎng)絡(luò)安全事件,從“網(wǎng)絡(luò)利用”到“網(wǎng)絡(luò)攻擊”,對目標工控網(wǎng)絡(luò)進行破壞和摧毀的威脅越來越嚴重,網(wǎng)絡(luò)攻擊頻次逐年增加,網(wǎng)絡(luò)威脅程序長久潛在目標系統(tǒng)。我國工業(yè)控制系統(tǒng)目前主要依賴國外工業(yè)產(chǎn)品來構(gòu)建,保護我國關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施免受潛在的網(wǎng)路威脅顯得十分急迫。傳統(tǒng)的以安全產(chǎn)品構(gòu)成的“封、堵、查、殺”的被動式的安全防御難以抵御潛伏的威脅,必須開展主動防御,面對高能力網(wǎng)絡(luò)空間威脅行為體方能達到防患于未然。
在新的網(wǎng)絡(luò)空間時期,網(wǎng)絡(luò)攻擊已成為另外一場沒有硝煙的戰(zhàn)場,其危害并不遜色于真實的物理戰(zhàn)爭,新的網(wǎng)絡(luò)空間格局下的定向網(wǎng)絡(luò)攻擊的特點表現(xiàn)在:
(1)重大特殊時期的定向攻擊的頻次越來越高
2020年COVID-2019疫情期間,有組織針對我國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施定向網(wǎng)絡(luò)攻擊頻度增加,威脅越來越大,給我國的抗疫工作增加了嚴重的干擾,并造成損失。
(2)定向網(wǎng)絡(luò)攻擊的監(jiān)測越來越高
隨著有組織攻擊技術(shù)手段不斷提升、對社會工程學(xué)的利用以及攻擊者的身份越來越隱蔽,使得網(wǎng)絡(luò)攻擊的實時監(jiān)測與溯源變得越來越難。
(3)有組織網(wǎng)絡(luò)攻擊越來越明顯
2019年針對委內(nèi)瑞拉的電力設(shè)施的攻擊、2020年 新冠疫情期間針對我國的視屏系統(tǒng)的攻擊等事件分析,一些敵對勢力有組織入局、有目的和定向的攻擊確定性越來越大。
(4)網(wǎng)絡(luò)攻擊的范圍與涉及的領(lǐng)域越來越廣
隨著大規(guī)模定向網(wǎng)絡(luò)攻擊傾向越來越明顯,涉及民生市政、核心工業(yè)生產(chǎn)、能源與軍工,甚至太空領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)攻擊屢見不鮮。美國國家基礎(chǔ)設(shè)施咨詢委員會(NIAC)多次公開強調(diào)“國家(美國)不足以抵抗敵對組織的針對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等敏感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻擊性策略”已充分說明這一特性。
目前,我國的工業(yè)控制系統(tǒng)尤其是在役的系統(tǒng),絕大部分還是使用Siemens、Honeywell、Rockwell、Yokogawa等,即使目前我國的本土企業(yè)產(chǎn)品已在一些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域成功應(yīng)用,能夠解決我國“卡脖子”、“內(nèi)置后門”等問題,但同樣面臨諸多漏洞等威脅,某種程度上存在比國外系統(tǒng)更多的安全隱患。諸如:
(1)操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、IEC61131設(shè)計軟件等安全漏洞;
(2)防病毒及惡意軟件的管控漏洞;
(3)使用U盤、光盤等外接設(shè)備的管控缺失;
(4)設(shè)備維修時,移動設(shè)備存在隨意接入的情況;
(5)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊界越來越模糊且防護不充分;
(6)訪問和接觸控制(包括遠程訪問、管理維護)薄弱;
(7)工控軟件生命周期的安全管理漏洞;
(8)缺乏安全事件應(yīng)急響應(yīng)機制。
目前,針對工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)主要以滿足GB/T22239-2019等保2.0標準體系的合規(guī)性為目的[1-3],但近幾年的網(wǎng)絡(luò)攻擊更趨于定向性、隱蔽性,攻擊手段多元化、技術(shù)多樣化等特點,需要超越基礎(chǔ)合規(guī)的主動動態(tài)防御策略:變被動防護為主動防護,變靜態(tài)防護為動態(tài)防護,變單點防護為整體防控,變粗放防護為精準防護、粗粒度的防御能力轉(zhuǎn)變?yōu)榧毩6鹊闹鲃臃烙芰?,且具備事前預(yù)防、事中響應(yīng)、事后審計的整體網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動,能識別未知威脅并做研判,才能有效抵御有目的、定向的未知網(wǎng)絡(luò)安全攻擊。主要的策略包括如下幾個方面:
(1)基于內(nèi)生安全的基礎(chǔ)安全
根據(jù)工控系統(tǒng)“高實時、資源受限、私有協(xié)議眾多”的特點,梳理工控資源資產(chǎn)的數(shù)量、配置及策略、各資源資產(chǎn)的CIA關(guān)系;同時,從攻防視角,對工控系統(tǒng)脆弱性進行模塊級分析,如對模塊功能邏輯、執(zhí)行語句進行數(shù)據(jù)篡改、偽造指令、實時欺騙以及獲取超級權(quán)限等。同時,梳理工控網(wǎng)內(nèi)完整的資產(chǎn)信息,確保無可利用“暗資產(chǎn)”,利于漏洞應(yīng)急和資產(chǎn)地圖的快速查詢篩選,并實時更新的列表。
(2)基于攻防與反制思維的網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)
(3)基于攻防的主動聯(lián)控層面
網(wǎng)絡(luò)安全主動防御的本質(zhì)是對抗,而對抗的本質(zhì)在攻防兩端技術(shù)手段、資源整合、協(xié)調(diào)能力等方面的較量,以主動/被動采集、監(jiān)測定向攻擊軌跡、控制權(quán)獲取等完整的情報收集,并以情報驅(qū)動的積極防御和進攻行動,做到實時的整體主動感知態(tài)勢,并策略執(zhí)行應(yīng)急阻斷和高效協(xié)同指揮決策,持續(xù)閉環(huán)的安全PDCA提升。智能聯(lián)動閉環(huán)防御控制示意圖如圖1所示。
圖1 智能聯(lián)動閉環(huán)防御控制示意圖
現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)攻防空間中,有組織入局的攻擊方具有較高的攻擊成本資源,攻防雙方往往處于絕對不對等的狀態(tài),產(chǎn)生的后果也往往是災(zāi)難性的。為此,在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全和全面縱深防御的基礎(chǔ)上,建立并落實資產(chǎn)管理、漏洞管理、漏洞分析、補丁分析、補丁驗證等全方位的安全運行機制,通過對信息的匯聚和分析,建設(shè)全面持續(xù)的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)全天候全方位的態(tài)勢感知能力[4-5],同時結(jié)合內(nèi)外部威脅情報,及時發(fā)現(xiàn)威脅,通過將網(wǎng)絡(luò)安全能力、信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等深度融合,并依靠安全運營、應(yīng)急響應(yīng)與處置系統(tǒng)等手段進行威脅獵殺,達到及時止損的目的。在工業(yè)控制系統(tǒng)主動防御的實踐中,每一個防御動作需要威脅辨識、分析、控制、排除威脅等包含終端以及網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元在內(nèi)的協(xié)同。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中,工業(yè)主機由于大部分采用通用架構(gòu)與通用操作系統(tǒng)等,同時由于其特殊使用用途和要求,一般不會輕易進行系統(tǒng)升級以及補丁更新等,往往就成為被病毒感染與遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標,如蠕蟲病毒攻擊過程首先是感染目標主機,再自動掃描、發(fā)現(xiàn)漏洞、自動傳播等。從縱深與主動防御的角度,工業(yè)主機安全防護應(yīng)當(dāng)具備查、殺病毒功能,并同時具備“黑名單”和“白名單”,為了保持控制系統(tǒng)的可用性,不能采用實時采樣及全盤掃描技術(shù),在隔離離線殺毒過程中又不能破壞原有應(yīng)用程序完整性,可以基于AI自學(xué)習(xí)自動分類建模生成白名單規(guī)則庫,根據(jù)規(guī)則進行智能匹配,以此更準確、更高效地建立工業(yè)控制系統(tǒng)的可信系統(tǒng),能最大程度降低誤報和誤判,避免誤將病毒木馬等加入白名單的風(fēng)險。基于AI分類建模算法可以實現(xiàn)“自動策略生成、數(shù)據(jù)正向反饋、AI干涉修正、威脅情報輔助”的全閉環(huán)管理模式,以此保障工控工作站、服務(wù)器的可用性、可靠性和可信性。
另外,采用基于主機的入侵檢測技術(shù),實時監(jiān)控目標主機所在網(wǎng)絡(luò)的實時連接情況和審計處理系統(tǒng)日志。通過對進入目標主機的所有數(shù)據(jù)流量實時采集、分析,并與攻擊特征庫進行匹配,一旦發(fā)現(xiàn)異常行為特征,及時報警處理或阻攔,以達到保護目標主機的目的。
為實現(xiàn)主動防御,需要在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的入口處以及工業(yè)控制系統(tǒng)的入口處分別部署誘捕系統(tǒng),構(gòu)成聯(lián)動的誘捕網(wǎng)絡(luò)。由于工控誘捕系統(tǒng)的特殊性,本文僅就工控誘捕系統(tǒng)進行闡述。
工業(yè)控制系統(tǒng)的“白名單”策略只隔離了不信任的行為數(shù)據(jù),缺乏對這些數(shù)據(jù)的分析和研究,造成與攻擊者的信息不對稱的情況;工控安全審計檢測旁路部署,存在流量丟包、類型不全和誤報率高而難以防范復(fù)雜攻擊。工業(yè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)相對隔離,無法自動實時更新特征庫,也會造成攻擊檢測的嚴重滯后。工控誘捕系統(tǒng)便可作為以上防護不足的有效補充,通過模擬工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境,構(gòu)建陷阱主機,提供陷阱網(wǎng)絡(luò)服務(wù),誘導(dǎo)誘惑內(nèi)外部入侵者進行攻擊,以此捕獲攻擊方式與路徑,延緩對真實工控系統(tǒng)的入侵,發(fā)揮著主動防御的作用。
木雕藝術(shù)家要將傳統(tǒng)符號“消化、吸收”,并重新將其生命注入新穎的形式構(gòu)造里去,令傳統(tǒng)雕琢技藝與新穎塑造觀念并存,突出個人的內(nèi)心愿望,從而引發(fā)觀者的共鳴。在探索的過程中,他們盡管會面對很多困難與問題,但也會不斷開啟更新的空間,看到更美的風(fēng)景。
工控誘捕系統(tǒng)以誘捕系統(tǒng)技術(shù)和主機監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合流量轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN),構(gòu)建前端部署輕量化可定制的流量探針節(jié)點,將可疑和攻擊流量轉(zhuǎn)發(fā)至后端誘捕系統(tǒng)集群網(wǎng)絡(luò)。工控誘捕系統(tǒng)由仿真誘捕系統(tǒng)資源層、數(shù)據(jù)層和平臺層三部分構(gòu)成,如圖2所示。其中,仿真誘捕系統(tǒng)資源層起到吸引和誘捕攻擊作用,并將攻擊數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)層進行分析和存儲;數(shù)據(jù)層用于對攻擊數(shù)據(jù)進行存儲和分析、對接安全情報數(shù)據(jù),聚合形成攻擊事件和數(shù)據(jù)統(tǒng)計報分析;平臺層用于對數(shù)據(jù)進行展示,管理系統(tǒng)各個節(jié)點。工控誘捕系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)與分析引擎分別如圖2、圖3所示。
圖2 工控誘捕系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖
圖3 工控誘捕捕系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析引擎
流量探針節(jié)點將網(wǎng)段內(nèi)可疑訪問流量(例如特定目的IP、端口或協(xié)議的)引導(dǎo)至到后端誘捕網(wǎng)絡(luò)的主機,實現(xiàn)誘捕系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的輕量級快速部署和可控性,增大誘捕攻擊面,有效降低誘捕網(wǎng)絡(luò)的部署和維護成本。
誘捕網(wǎng)絡(luò)由大量的誘捕探針節(jié)點和路由網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,以高仿真高交互蜜罐技術(shù)為基礎(chǔ),并結(jié)合自身業(yè)務(wù)特性組成。模擬工控系統(tǒng)真實的應(yīng)用業(yè)務(wù)環(huán)境,同時誘捕網(wǎng)與真實內(nèi)網(wǎng)環(huán)境相互協(xié)調(diào),以此提升欺騙環(huán)境真實性,快速精準定位攻擊事件,并結(jié)合流量分析設(shè)備,降低攻擊定位中存在的滯后性及誤報高等問題,起到真正的誘捕作用,保護正常業(yè)務(wù)。
誘捕系統(tǒng)機包括高交互誘捕系統(tǒng)和低交互誘捕系統(tǒng),根據(jù)下發(fā)的業(yè)務(wù)方針策略自動構(gòu)建的業(yè)務(wù)仿真環(huán)境,包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、開放服務(wù)及端口等內(nèi)容,是迷惑誘捕攻擊者的核心關(guān)鍵。特別是以捕獲深度真實攻擊行為為主要目的的高交互誘捕系統(tǒng)主機,還包括文件監(jiān)控、進程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和控制臺監(jiān)控等,可在驅(qū)動層實現(xiàn)主機數(shù)據(jù)監(jiān)控,包括樣本上傳、創(chuàng)建可疑進程、非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)訪問以及遠程SHELL交互內(nèi)容等關(guān)鍵數(shù)據(jù)項監(jiān)控。
工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)部的訪問與連接相對固定,通信流量具有周期性的變化等特點,使得在工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部建立自適應(yīng)動態(tài)策略AI邊界防護成為可能。由于工控系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點訪問關(guān)系相對固定,使得高級威脅入侵者一旦進入控制系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)就會導(dǎo)致任何單點環(huán)節(jié)失陷或失效;同時隨著兩化融合的深度推進,分系統(tǒng)之間的邊界越來越模糊,高級威脅入侵造成的危害更大,借助于自學(xué)習(xí)的模式,采用人工智能技術(shù),實現(xiàn)自適應(yīng)動態(tài)策略的AI邊界防護勢在必行。
自適應(yīng)動態(tài)策略的AI邊界防護的核心是邊緣安全的智能化,就需要工業(yè)防火墻內(nèi)置基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的AI高級威脅檢測模型,不再依賴外部部署的大數(shù)據(jù)分析平臺,在防火墻本地即可精準發(fā)現(xiàn)高級威脅,需要包括ECA(惡意加密流量不解密)識別、惡意軟件非法連接遠控服務(wù)器行為識別、暴力破解惡意行為識別、工業(yè)協(xié)議深度解析(DPI)、工業(yè)流量深度解析(DFI)等,以此提高威脅檢出率和降低誤報率,確保與管理中心、IPS、誘捕系統(tǒng)等智能聯(lián)動。另外,動態(tài)策略調(diào)整需要通過安全管理中心遠程遙控方式下發(fā)新的防護策略和應(yīng)用能力,保證安全業(yè)務(wù)按需動態(tài)調(diào)整,需要工業(yè)AI防火墻內(nèi)置輕量誘捕系統(tǒng),并通過安全管理中心協(xié)同聯(lián)動,實現(xiàn)大規(guī)模輕量誘捕、動態(tài)引流與誘捕蜜網(wǎng)深度融合聯(lián)動,實現(xiàn)針對不存在IP和未開放端口誘騙的全面監(jiān)控,提升對更隱蔽、更致命的威脅的辨識與處理。聯(lián)動閉環(huán)控制圖如圖4所示。
圖4 誘捕蜜網(wǎng)與自適應(yīng)動態(tài)策略的邊界防護聯(lián)動控制圖
工控態(tài)勢感知集檢測、預(yù)警、響應(yīng)處置等功能于一身,是主動防御體系中的安全大腦和“指揮中心”,實現(xiàn)對攻擊、威脅、流量、行為、運維和合規(guī)等態(tài)勢進行全維度的感知,實現(xiàn)全網(wǎng)的安全風(fēng)險態(tài)勢感知、事件響應(yīng)以及資源協(xié)同聯(lián)動,實現(xiàn)“預(yù)知未來、主動發(fā)現(xiàn)、協(xié)同防御、智能進化”的智能主動安全防御能力[3]。
針對工控網(wǎng)絡(luò)高實時、資源受限、私有協(xié)議眾多的特點,需要多視角態(tài)勢感知方法(如基于控制系統(tǒng)內(nèi)生安全、CPS異常檢測[6]、APT攻擊檢測和仿真誘捕產(chǎn)生的報警信息),通過多視圖學(xué)習(xí)方法從多源報警中提取并優(yōu)化攻擊策略,降低單種類型報警系統(tǒng)的誤報率。圍繞攻擊網(wǎng)絡(luò)存在的漏洞,通過建立攻擊者、防御者和內(nèi)部人員三方博弈的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,預(yù)測攻擊者的最佳攻擊時機[7-8]?;诠た貥I(yè)務(wù)背景、攻擊時機和系統(tǒng)風(fēng)險構(gòu)建工控網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢,監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的敏感操作行為,如圖5所示。
為進一步提升油庫發(fā)油生產(chǎn)系統(tǒng)的安全防護能力,中國石油西北銷售公司成功申報了工信部2018年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目《面向油庫安全運營的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)》[6],采用基于工控誘捕系統(tǒng)、基于AI技術(shù)的主機防御等技術(shù),在核心業(yè)務(wù)多樣性、攻擊事件頻發(fā)的大背景下,快速實現(xiàn)業(yè)務(wù)性能異常檢測。其中業(yè)務(wù)性能監(jiān)控包括日志數(shù)據(jù)、應(yīng)用系統(tǒng)追蹤文件和全面的性能監(jiān)控指標等,通過對這些數(shù)據(jù)的實時分析和回溯分析,實現(xiàn)細粒度的實時監(jiān)控和全棧式視圖保障其核心業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運營以及智能化的安全運營。
安全運營的核心是提升安全智能運維的水平,提高企業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)急處理的能力。在大量數(shù)據(jù)分析的場景下,結(jié)合機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù),利用海量、實時、全棧的監(jiān)控數(shù)據(jù),通過AI算法,提出問題定位和運維決策的建議,縮短MTTR (平均故障恢復(fù)時間),并通過迭代提高分析和決策的準確性,快速定位網(wǎng)絡(luò)威脅點并予以智能消除,以此克服網(wǎng)絡(luò)安全運維部門面對海量采集數(shù)據(jù)大量依賴人工分析的瓶頸。
在油庫發(fā)油工控系統(tǒng)中的流量異常以及應(yīng)用服務(wù)異?,F(xiàn)象中,常常潛伏著一些攻擊行為或安全事件,系統(tǒng)通過對發(fā)油工業(yè)控制系統(tǒng)進行全流量數(shù)據(jù)采集分析,并智能調(diào)用安全規(guī)則庫,對異常行為進行報警。通過結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘和智能化分析技術(shù),將攻擊者的整個攻擊過程歸納為偵察掃描、定向攻擊、攻陷入侵、工具安裝、惡意行為五個階段,展示整個動態(tài)攻擊過程和攻擊效果,實現(xiàn)基于全網(wǎng)絡(luò)的流量安全監(jiān)測分析。另外,系統(tǒng)結(jié)合漏洞庫對掃描到的各類資產(chǎn)進行漏洞分析并告警;利用高速率報文存儲檢索系統(tǒng)完成對歷史網(wǎng)絡(luò)流量的回放和追溯,快速還原攻擊過程,為網(wǎng)絡(luò)管理人員及時調(diào)整管理策略提供技術(shù)支撐。
圖5 主動防御體系的工控態(tài)勢感知系統(tǒng)
2019年,中石油針對該公司管轄下的三座油庫進行實戰(zhàn)攻防,利用相關(guān)技術(shù)構(gòu)建的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)態(tài)勢感知系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知威脅攻擊,并對某些隱蔽的、未知類型的攻擊進行實時跟蹤與取證,予以有效攔截,有力阻斷了針對實際生產(chǎn)環(huán)境的工業(yè)控制系統(tǒng)的定向攻擊,達到了智能安全運營的目的。
工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護的重點需要以其業(yè)務(wù)運行安全為中心,以保障其可用性為前提,其主動安全防御能力需要與物理、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)與用戶等各個層級深度結(jié)合,并將網(wǎng)絡(luò)安全防御能力部署到信息化基礎(chǔ)設(shè)施和信息系統(tǒng)的每一個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié),建設(shè)以態(tài)勢感知為核心的威脅情報驅(qū)動的動態(tài)主動防御能力體系,將安全管理與防護措施落實到其全生命周期的每一個階段,并將態(tài)勢感知驅(qū)動的實時防護機制與系統(tǒng)運行維護過程深度融合,實現(xiàn)主動協(xié)同聯(lián)動的實戰(zhàn)化運行和現(xiàn)常態(tài)化的威脅主動發(fā)現(xiàn)與自適應(yīng)智能響應(yīng)處置,漸進提升整個工控網(wǎng)絡(luò)安全主動防御水平。