工業(yè)企業(yè)兩化融合網(wǎng)絡安全保障模型研究與應用

楊 博

(綠盟科技集團股份有限公司 北京 100089)

促進工業(yè)化與信息化融合的國家戰(zhàn)略問世于黨的“十六大”中“以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化”的政策[1].經(jīng)過多年的穩(wěn)定發(fā)展，在黨的“十八大”中明確兩化深度融合是中國工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和發(fā)展的重要舉措[2].現(xiàn)階段推進兩化融合的根本是依托5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術，尋求工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展.將工業(yè)化視角下的機械化、電氣化、自動化，與信息化視角下的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化高效地滲透與融合[3]，通過對工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析形成工業(yè)知識積累，并應用到現(xiàn)有的生產(chǎn)要素、生產(chǎn)裝備、工藝流程中[4].因此，在經(jīng)濟社會的各個方面踐行兩化融合國家戰(zhàn)略，離不開信息化與工業(yè)化的主體——工業(yè)企業(yè).

針對工業(yè)企業(yè)面臨的網(wǎng)絡安全風險，聶紅偉[5]提出了工控網(wǎng)絡融合信息技術的安全防御體系，運用“白名單”的理念建立工控系統(tǒng)及網(wǎng)絡正常工作的安全模型；石秀芳等人[6]提出基于兩化融合評估的信息安全現(xiàn)狀及分析方法，實現(xiàn)企業(yè)的網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、信息及行為的安全;謝江[7]提出從安全策略保障、技術保障、運行保障等維度構(gòu)建完善的數(shù)字新基建產(chǎn)業(yè)群的安全保障體系.

本文結(jié)合國內(nèi)兩化融合網(wǎng)絡安全建設工作的成功經(jīng)驗，通過分析工業(yè)企業(yè)在兩化融合建設過程中面臨的網(wǎng)絡安全風險，提出了從邊界可控、工業(yè)智能設備可控、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)可控和安全狀態(tài)可控4個方面開展工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡安全建設，并給出了切實可行的典型解決方案.

1 兩化融合進程中凸顯的網(wǎng)絡安全風險

新一代信息技術與工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)融合強化了物理世界與信息世界的聯(lián)系，我們在享受信息化技術帶來的工業(yè)高速發(fā)展紅利的同時，也面臨著嚴峻的網(wǎng)絡安全挑戰(zhàn).

首先，最初封閉的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡邊界在兩化融合進程中不可避免地被打破，攻擊者能夠從管理端、生產(chǎn)端、消費端等多個層面發(fā)起攻擊[8]，增大了網(wǎng)絡攻擊的可能性，將信息世界的網(wǎng)絡安全威脅引入到物理世界，加劇了工業(yè)企業(yè)遭受網(wǎng)絡攻擊造成的后果，輕則導致工業(yè)生產(chǎn)線宕機停擺帶來經(jīng)濟損失，重則導致生產(chǎn)安全事故帶來人員傷亡，甚至危害國家安全，動搖執(zhí)政根基.

其次，大量工業(yè)智能設備接入控制網(wǎng)絡，降低了針對工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡攻擊門檻.工業(yè)智能設備基于開放化與標準化的技術架構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生安全漏洞，通信與計算資源不足限制了自身的網(wǎng)絡安全功能.同時，工業(yè)智能設備通常分布廣泛且多數(shù)無人值守，遭受攻擊后無法及時被發(fā)現(xiàn).

再次，工業(yè)信息的跨網(wǎng)融合與流動，使得工業(yè)企業(yè)的核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)面臨遭受竊取、濫用或破壞的風險，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中將會涉及企業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)、商業(yè)秘密，甚至有關國家經(jīng)濟與國防安全，具有高度的敏感性，發(fā)生數(shù)據(jù)安全事件會對經(jīng)濟社會發(fā)展、國家安全造成直接或間接的損失和影響.

全球范圍內(nèi)工業(yè)網(wǎng)絡安全事件層出不窮，臺積電三大廠區(qū)遭受勒索病毒入侵導致工業(yè)控制系統(tǒng)電腦宕機、生產(chǎn)線停擺，3天造成經(jīng)濟損失10多億元人民幣；烏克蘭和委內(nèi)瑞拉電力控制系統(tǒng)故障導致的大面積停電事件，致使數(shù)以百萬計的居民家中斷電.我們可以看出在工業(yè)生產(chǎn)中的網(wǎng)絡安全事件雖然形式各異，但所帶來的危害都不僅僅停留在信息世界的“軟攻擊”，而是對物理世界的“硬摧毀”，對人民生活安定、經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定、國家安全帶來嚴重的損害.因此，工業(yè)企業(yè)在推進兩化融合進程時面對的網(wǎng)絡空間變得更加復雜，網(wǎng)絡安全問題異常嚴峻.

2 網(wǎng)絡安全保障模型研究

2.1 網(wǎng)絡邊界安全可控模型

工業(yè)控制網(wǎng)絡邊界的延伸與擴展增加了參與工業(yè)生產(chǎn)的對象的種類與數(shù)量，但得益于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對的穩(wěn)定性與可預見性，我們能夠根據(jù)信息系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)參與生產(chǎn)作業(yè)的流程與范圍，按照生產(chǎn)制造邊界、價值傳遞邊界進行劃分，以便能夠在發(fā)生網(wǎng)絡安全威脅告警時進行有針對性安全防控，避免威脅范圍擴大.

同時，基于數(shù)字證書、身份標識、生物特征、動態(tài)口令等多種手段，在區(qū)域邊界設置滿足相應安全要求的技術隔離與細粒度的訪問控制措施，有效解決在工業(yè)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)每一位參與者“是誰”和“能干什么”的問題，并形成動態(tài)化威脅識別能力，實現(xiàn)對網(wǎng)絡邊界行為識別、確權(quán)、報警以及安全阻斷. 如圖1所示:

圖1 網(wǎng)絡邊界安全保護模型

2.2 聯(lián)網(wǎng)工業(yè)智能設備安全可控措施

2.2.1 設備安全

聯(lián)網(wǎng)工業(yè)智能設備通過采用安全可信、自主可控的處理器、存儲、內(nèi)存、操作系統(tǒng)[5]，應用密碼技術、安全算法、安全協(xié)議等措施保障自身的本質(zhì)安全.當條件受限時可以采用安全補償措施，通過應用層安全加固使工業(yè)智能設備具有一定的網(wǎng)絡安全防護能力.

2.2.2 接入安全

工業(yè)智能設備在進行網(wǎng)絡連接時要采取準入機制，只有經(jīng)過安全驗證的設備才允許接入工業(yè)控制網(wǎng)絡，同時能夠主動識別未知接入設備所使用的端口、協(xié)議、服務等，研判安全風險并采取報警、隔離與阻斷措施，避免未經(jīng)檢驗授權(quán)的設備將惡意代碼引入工業(yè)控制網(wǎng)絡.

2.3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全可控模型

工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的信息系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)歸屬不同的部門建設與使用管理，大量的工業(yè)數(shù)據(jù)分散在不同部門、不同業(yè)務系統(tǒng)以及不同人員中，無形中產(chǎn)生了數(shù)據(jù)順暢流動的斷點，影響了工作效率和知識數(shù)據(jù)的真實性.為保障數(shù)據(jù)能夠安全、自由地在工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中流動，發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大價值，針對工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)應采取標記用途、數(shù)據(jù)加密、訪問控制、數(shù)據(jù)脫敏等多種防護措施，覆蓋包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、處理等在內(nèi)的全生命周期的各個環(huán)節(jié)[9]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)“拿不到”“看不懂”“改不了”“賴不掉”[10].如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全可控模型

2.3.1 采集安全

依據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)的屬性，按照工藝流程數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、用戶個人數(shù)據(jù)的分類，依照一般數(shù)據(jù)、重要數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)3種等級將分散在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中零碎數(shù)據(jù)進行分類分級采集.

2.3.2 傳輸安全

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用相關技術手段來保證通信過程中數(shù)據(jù)的機密性、完整性和有效性，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改.

2.3.3 存儲安全

依據(jù)數(shù)據(jù)的類別與安全等級，通過數(shù)據(jù)加密存儲、數(shù)據(jù)完整性保護、數(shù)據(jù)防泄漏、訪問控制等安全措施保障數(shù)據(jù)存儲安全.

2.3.4 處理安全

數(shù)據(jù)處理和應用是工業(yè)數(shù)據(jù)價值再創(chuàng)造的核心環(huán)節(jié)，通過對工藝流程不斷迭代優(yōu)化尋找最短、最經(jīng)濟的生產(chǎn)路徑，將工業(yè)生產(chǎn)的關鍵技術、流程、知識、工藝積累沉淀，為工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供最核心的支撐.在高價值工業(yè)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程中采取數(shù)據(jù)防泄漏、訪問控制、完整性保護等措施，保證合法用戶對信息和資源的有效使用.

2.4 網(wǎng)絡安全狀態(tài)可控性模型

保障工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全是推進兩化融合進程的基礎.通過檢測工業(yè)網(wǎng)絡流量獲取通信行為信息，借助深度包過濾、終端安全檢測、日志審計等掌握工業(yè)控制網(wǎng)絡安全狀態(tài)，并通過聚合、關聯(lián)分析形成全局安全態(tài)勢與威脅預警.如圖3所示:

圖3 網(wǎng)絡安全狀態(tài)可控模型

3 典型解決方案

工業(yè)企業(yè)兩化融合場景涉及位于管理信息網(wǎng)絡的企業(yè)資源層，以及位于工業(yè)控制網(wǎng)絡的制造執(zhí)行層、過程控制層、現(xiàn)場控制層和現(xiàn)場設備層[11].工業(yè)控制系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務的自動化運行，管理信息系統(tǒng)借助跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)與工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的交換共享，從而對生產(chǎn)作業(yè)活動進行智能調(diào)配.通信網(wǎng)絡為兩者之間的數(shù)據(jù)交換提供支撐.如圖4所示.

圖4 工業(yè)企業(yè)兩化融合網(wǎng)絡安全防護解決方案拓撲圖

3.1 邊界安全防護

在區(qū)域邊界部署防火墻設備，對流經(jīng)區(qū)域邊界的數(shù)據(jù)包依據(jù)相應的訪問控制策略進行控制[12]，阻斷非授權(quán)訪問，并對違反策略的操作行為進行記錄并形成日志，定期對日志進行分析處理.

工業(yè)網(wǎng)閘實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與管理信息網(wǎng)絡從物理層面和邏輯層面斷開直接連接，杜絕網(wǎng)絡威脅通過辦公網(wǎng)絡入侵控制系統(tǒng)的可能.

在區(qū)域邊界的網(wǎng)絡交換機旁路部署入侵檢測系統(tǒng)，對網(wǎng)絡流量的鏡像數(shù)據(jù)進行基于協(xié)議與行為的深度檢測，及時發(fā)現(xiàn)應用端口傳輸?shù)膼阂獯a，避免服務器遭受應用層攻擊.

3.2 智能設備安全防護

在操作系統(tǒng)層面對智能設備進行安全加固，更新廠商發(fā)布的核心安全補丁，更新補丁之前在測試系統(tǒng)中進行測試，并制定詳細的回退計劃[13].

在進行遠程運維管理時對通過網(wǎng)絡傳輸?shù)恼J證信息、數(shù)據(jù)報文等采取加密、散列等措施進行安全防護，避免敏感信息被竊聽、截取或篡改.

采用加密認證裝置對接入控制網(wǎng)絡的工業(yè)智能設備進行身份認證，并基于密碼技術對傳輸數(shù)據(jù)進行機密性、完整性保護.

3.3 數(shù)據(jù)安全防護

利用數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行傳輸加密以及存儲加密，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫安全策略管理、訪問監(jiān)測、日志審計等功能.

利用數(shù)據(jù)脫敏設備、數(shù)據(jù)分級分類模塊、數(shù)據(jù)加密和加密資源檢索模塊、敏感數(shù)據(jù)審計模塊，實現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、系統(tǒng)實時脫敏、脫敏風險評估、數(shù)據(jù)脫敏結(jié)果驗證、數(shù)據(jù)自動分類分級、數(shù)據(jù)加密和加密資源檢索、數(shù)據(jù)使用合規(guī)性監(jiān)管等數(shù)據(jù)安全性防護手段[14].

利用數(shù)據(jù)審計系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫增、刪、改、查等操作的審計，實時記錄每個數(shù)據(jù)的操作過程.

3.4 安全態(tài)勢管控

部署網(wǎng)絡安全監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)對工業(yè)控制網(wǎng)絡和管理信息網(wǎng)絡安全態(tài)勢的全面掌控.通過采集網(wǎng)絡流量和安全設備、網(wǎng)絡設備的日志信息、配置信息進行集中分析和處理，實現(xiàn)網(wǎng)絡綜合態(tài)勢管理、攻擊鏈和業(yè)務行為基線的風險預警管理等[15]，對網(wǎng)絡攻擊等事件以及惡意軟件傳播等攻擊行為產(chǎn)生報警，統(tǒng)籌管理網(wǎng)絡安全設備，建立高效防控體系.

4 結(jié) 語

兩化融合帶給工業(yè)企業(yè)的是邊界的融合、數(shù)據(jù)的融合，信息化能夠幫助工業(yè)企業(yè)快速應對市場需求更快、時間粒度更小、批量更小的變化趨勢.在借助新的技術提升效率的同時，有效地保障工業(yè)網(wǎng)絡安全，這是自動化和信息化的共同期待.今年的政府工作報告指出，將繼續(xù)推進“兩新一重”建設，實施一批交通、能源、水利等重大工程項目，建設信息網(wǎng)絡等新型基礎設施，發(fā)展現(xiàn)代物流體系[16].因此，工業(yè)企業(yè)做好網(wǎng)絡安全工作顯得更加重要，是保障兩化融合深入落實在工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的前提，也是充分發(fā)揮工業(yè)數(shù)據(jù)價值的基石.