縱觀我國工業(yè)、能源、交通、水利以及市政等國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，DCS、PLC等工業(yè)控制系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用，隨著我國兩化融合的深入發(fā)展，信息化的快速發(fā)展大大提高了公司的運營效率，但TCP/IP、Ethernet等通用技術(shù)和通用產(chǎn)品被大量引入工業(yè)領(lǐng)域，也將越來越多的信息安全問題擺在了我們面前。
另一方面，長久以來，企業(yè)更多關(guān)注的是物理安全，信息化發(fā)展所需的信息安全防護(hù)技術(shù)卻相對滯后，近幾年來因控制系統(tǒng)感染病毒而引起裝置停車和其它風(fēng)險事故的案例屢有發(fā)生，給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。Stuxnet病毒的爆發(fā)更是給企業(yè)和組織敲響了警鐘，工信部協(xié)[2011]451號通知明確指出要切實加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理的要求。本文以石化行業(yè)為例，就工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全存在的隱患，及其縱深防御架構(gòu)體系進(jìn)行簡要探討。
1 工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的信息安全漏洞
1.1 通信協(xié)議漏洞
兩化融合和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得TCP/IP協(xié)議和OPC協(xié)議等通用協(xié)議越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，隨之而來的通信協(xié)議漏洞問題也日益突出。
例如，OPC Classic協(xié)議（OPC DA, OPC HAD和OPC A&E） 基于微軟的DCOM協(xié)議，DCOM協(xié)議是在網(wǎng)絡(luò)安全問題被廣泛認(rèn)識之前設(shè)計的，極易受到攻擊， 并且OPC通訊采用不固定的動態(tài)端口號，在通訊過程中可能會用到1024-65535中的任一端口，這就導(dǎo)致使用傳統(tǒng)基于端口或IP地址的IT防火墻無法確保其安全性。因此確保使用OPC通訊協(xié)議的工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性成為工程師的一個安全技術(shù)難題。
1.2 操作系統(tǒng)漏洞
目前大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)的工程師站/操作站/HMI都是基于Windows平臺的，為保證過程控制系統(tǒng)的相對獨立性，同時考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，通常現(xiàn)場工程師在系統(tǒng)開車后不會對Windows平臺安裝任何補(bǔ)丁，這樣導(dǎo)致了操作系統(tǒng)系統(tǒng)存在被攻擊的可能，從而埋下了安全隱患。
1.3 殺毒軟件漏洞
為了保證工控應(yīng)用軟件的可用性，許多工控系統(tǒng)操作站通常不會安裝殺毒軟件。即使安裝了殺毒軟件，在使用過程中也有很大的局限性，原因在于使用殺毒軟件很關(guān)鍵的一點是，其病毒庫需要不定期的經(jīng)常更新，這一要求尤其不適合于工業(yè)控制環(huán)境。而且殺毒軟件對新病毒的處理總是滯后的，導(dǎo)致每年都會爆發(fā)大規(guī)模的病毒攻擊，特別是新病毒。
1.4 應(yīng)用軟件漏洞
由于應(yīng)用軟件多種多樣，很難形成統(tǒng)一的防護(hù)規(guī)范以應(yīng)對安全問題；另外當(dāng)軟件面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時，就必須開放其網(wǎng)絡(luò)端口。因此常規(guī)的IT防火墻等安全設(shè)備很難保障其安全性。互聯(lián)網(wǎng)攻擊者很有可能會利用一些大型工程自動化軟件的安全漏洞獲取諸如污水處理廠、天然氣管道以及其它大型設(shè)備的控制權(quán)，一旦這些控制權(quán)被不良意圖黑客所掌握，那么后果不堪設(shè)想。
1.5 安全策略和管理流程漏洞
追求可用性而犧牲安全，是工業(yè)控制系統(tǒng)存在的普遍現(xiàn)象，工業(yè)控制系統(tǒng)中移動存儲介質(zhì)包括筆記本電腦、U盤等設(shè)備的使用缺乏完整有效的安全策略與管理流程也給工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全帶來了一定的威脅。
2 石化行業(yè)控制系統(tǒng)信息安全現(xiàn)狀分析
目前，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在石化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理中得到越來越廣泛的應(yīng)用，通用通訊協(xié)議和操作系統(tǒng)也幾乎覆蓋了所有的工業(yè)控制系統(tǒng)。根據(jù)業(yè)務(wù)功能的不同，石化行業(yè)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一般分為三部分：控制層、數(shù)采層和管理信息層，如圖1所示。
圖1 石化行業(yè)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ▲
在信息安全方面，石化企業(yè)工控系統(tǒng)目前存在的安全問題主要有：
（1）系統(tǒng)終端自身免疫力不足。目前工業(yè)計算機(jī)操作系統(tǒng)大多采用Windows操作系統(tǒng)，一般不允許安裝操作系統(tǒng)的安全補(bǔ)丁和防病毒軟件，這些先天限制，使得工業(yè)計算機(jī)的操作系統(tǒng)存在很多已知或未知的漏洞無法解決，一旦發(fā)生針對性的網(wǎng)絡(luò)攻擊或病毒感染則會造成無法想象的后果；即便安裝殺毒軟件也僅能對部分病毒或攻擊有所抑制，但病毒庫存在滯后，也不能從根本上進(jìn)行防護(hù)。另一方面，項目實施和后期維護(hù)中頻繁使用U盤、筆記本電腦等外置設(shè)備，并且是在整個系統(tǒng)開車情況下實施，也存在較高的安全隱患。
（2）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)扁平化現(xiàn)象突出。雖然大多數(shù)石化企業(yè)通過Buffer數(shù)采機(jī)或OPC Server的雙網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)對數(shù)采網(wǎng)與控制網(wǎng)進(jìn)行了隔離，部分惡意程序不能直接攻擊到控制網(wǎng)絡(luò)，但對于能夠利用Windows系統(tǒng)漏洞的網(wǎng)絡(luò)蠕蟲及病毒等，這種配置并沒有作用，病毒仍會在數(shù)采網(wǎng)和控制網(wǎng)之間互相傳播。
（3）系統(tǒng)缺乏信息安全監(jiān)控措施，網(wǎng)絡(luò)攻擊事件無法追蹤。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)如果遭受病毒和黑客攻擊，維護(hù)人員無法進(jìn)行故障點查詢和原因分析，并采取應(yīng)急響應(yīng)措施，一些小的安全問題直至發(fā)展成大的安全事故才會被發(fā)現(xiàn)和解決。
3 基于縱深防御的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全解決方案
3.1 系統(tǒng)終端安全
鑒于工業(yè)應(yīng)用的特殊性，工業(yè)控制系統(tǒng)的操作站、應(yīng)用站等終端難以采用傳統(tǒng)的打補(bǔ)丁、殺毒軟件的方式應(yīng)用層出不窮的操作系統(tǒng)漏洞、計算機(jī)后門程序、病毒、數(shù)據(jù)掃描、密鑰數(shù)據(jù)塊攻擊等多元化的風(fēng)險及威脅。有別于傳統(tǒng)的安全技術(shù)， 可信計算首先構(gòu)建一個信任根，再建立一條信任鏈，從信任根開始到硬件平臺，到操作系統(tǒng)，再到應(yīng)用，一級認(rèn)證一級，一級信任一級，從而把這種信任擴(kuò)展到整個計算機(jī)系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)整體的安全性。
如圖2所示， InTrust工控可信計算安全平臺首創(chuàng)可信計算在工控領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，擁有“白名單”模式的智能可信度量系統(tǒng)，并可以通過度量信息實現(xiàn)對程序進(jìn)程的全面管控，從根本上解決工控系統(tǒng)終端病毒感染、惡意代碼進(jìn)程啟動、操作系統(tǒng)內(nèi)核漏洞隱患。
▲ 圖2 采用InTrust 工控可信計算安全平臺提高工控系統(tǒng)終端安全的部署示意圖
3.2 網(wǎng)絡(luò)安全
國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-99、IEC62443指出工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全要點如表1所示。
參照國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合石化行業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點以及信息安全需要，可以將其工控網(wǎng)絡(luò)劃分為控制網(wǎng)、數(shù)采網(wǎng)、工程師站、APC先控站、關(guān)鍵控制器等5個區(qū)域。
下一步就是實現(xiàn)區(qū)域之間網(wǎng)絡(luò)通訊的訪問控制。工業(yè)防火墻是目前業(yè)界比較認(rèn)可，市場應(yīng)用最廣的一種網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)產(chǎn)品。以Guard工業(yè)防火墻為例，其采用工業(yè)協(xié)議深度包檢查（DPI）技術(shù)，支持OPC、Modbus TCP等常見工業(yè)協(xié)議，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了端口級別的訪問控制，能提供更加有效的工業(yè)協(xié)議應(yīng)用層防護(hù)。另外Guard工業(yè)防火墻采用無IP連接技術(shù)，同時能隱藏后端保護(hù)設(shè)備的IP地址，令攻擊者無從發(fā)現(xiàn)攻擊目標(biāo)，更不用談發(fā)起攻擊。
如圖3所示，在數(shù)采網(wǎng)和控制網(wǎng)之間、工程師站前端、APC先控站前端以及關(guān)鍵控制器前端部署Guard工業(yè)防火墻，可有效防止蠕蟲、木馬等非法病毒在網(wǎng)絡(luò)上傳播擴(kuò)散；隔離工程師站，避免因工程師站感染而導(dǎo)致的病毒擴(kuò)散；保護(hù)APC先控站和關(guān)鍵控制器；從網(wǎng)絡(luò)層面構(gòu)建工控系統(tǒng)運行的安全環(huán)境。
▲ 圖3 工業(yè)防火墻在石化行業(yè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)中的應(yīng)用
3.3 智能審計記錄分析
工控安全管理平臺SMP是專門針對工控網(wǎng)絡(luò)行為審計記錄的智能分析管理軟件，具備強(qiáng)大的審計日志存儲查詢功能，可以對海量的審計數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)行為態(tài)勢分析，使系統(tǒng)安全運維人員能夠通過實時日志展示畫面隨時監(jiān)控正在發(fā)生的不同級別審計日志和報警信息，也可以通過安全管理平臺的條件查詢、統(tǒng)計、篩選、圖表展示和態(tài)勢分析算法模型等強(qiáng)大的功能迅速得出網(wǎng)絡(luò)健康狀況，最終自動獲得詳細(xì)的統(tǒng)計分析報告和事件處置方式建議，實現(xiàn)系統(tǒng)安全運維管理的實時性、完整性、自動化、智能化。
整體“縱深防御”工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全部署結(jié)構(gòu)如圖4所示。
▲ 圖4 終端加固、網(wǎng)絡(luò)安全、智能監(jiān)控石化行業(yè)縱深防御工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)架構(gòu)
4 結(jié)語
石油化工等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和能源行業(yè)關(guān)系國計民生，在我國兩化融合深入發(fā)展的同時，如何確保工控系統(tǒng)信息安全是石化行業(yè)信息化建設(shè)重要的一部分。
本文以縱深防御的工業(yè)信息安全防護(hù)理念為核心，在充分了解石化行業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和安全現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對石化行業(yè)工控系統(tǒng)信息安全需求進(jìn)行了認(rèn)真分析，從終端安全、網(wǎng)絡(luò)安全和智能監(jiān)控三方面出發(fā)，通過部署InTrust工控可信計算安全平臺、Guard工業(yè)防火墻以及工控安全管理平臺SMP，實現(xiàn)了石化行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的縱深防御，能切實有效地保護(hù)工控系統(tǒng)遠(yuǎn)離木馬、蠕蟲、黑客等各種威脅和攻擊，保障企業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行。