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工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估量化研究

文檔作者：盧慧康1 陳冬青2 彭勇2 王華忠1 文檔來(lái)源：華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1 中國(guó)信息安全測(cè)評(píng)中心2 ,		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月08日
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《自動(dòng)化儀表》第35 卷第10 期 2014 年10 月
修改稿收到日期:2013-11-13。
第一作者盧慧康(1986-),男,現(xiàn)為華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程專(zhuān)
業(yè)在讀碩士研究生;主要從事控制系統(tǒng)信息安全方面的研究。
工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估量化研究
Quantitative Research on Risk Assessment
for lnformation Security of lndustrial Control System
盧慧康1 陳冬青2 彭 勇2 王華忠1
(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1 ,上海 200237,中國(guó)信息安全測(cè)評(píng)中心2 ,北京 100085)
摘 要: 為解決工控系統(tǒng)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估問(wèn)題,提出了基于模糊層次分析法的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。結(jié)合
工控系統(tǒng)特點(diǎn),構(gòu)造了層次結(jié)構(gòu)模型,引入了模糊一致矩陣計(jì)算各要素相對(duì)重要性權(quán)值,克服了層次分析法需多次進(jìn)行一次性檢驗(yàn)問(wèn)
題;自下而上對(duì)工控系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判,并將評(píng)判結(jié)果反模糊化,得出了風(fēng)險(xiǎn)的精確值。實(shí)例表明,該方法能合理有效地量
化控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),為工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理決策提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 層次分析法 信息安全 工業(yè)控制系統(tǒng) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 風(fēng)險(xiǎn)分析
中圖分類(lèi)號(hào): TP309 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
Abstract: To solve the issue of quantitative risk assessment of information security of industrial control system, the risk assessment method for
information security of industrial control system based on fuzzy analytic hierarchy process ( AHP) is proposed. In accordance with the
characteristics of the industrial control system, the hierarchical structure model is constructed, and the fuzzy consistent matrix is introduced to
calculate the relative important weights of each key element; thus the problem that AHP needs check consistency for many times is overcome;
fuzzy comprehensive evaluation for the risk of industrial control system can be carried out from bottom to top, and the defuzzification of
evaluation result is conducted to obtain accurate risk value. The practical example indicates that the method reasonably and effectively
quantified the risk of industrial control system(ICS), and it provides scientific basis for industrial control system risk management decisions.
Keywords: Analytic hierarchy process(AHP) Information security Industrial control system(ICS) Risk assessment Risk analysis
0 引言
工業(yè)控制系統(tǒng)(industrial control system,ICS)廣泛
應(yīng)用于石油化工、交通運(yùn)輸、水處理等國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)
施中[1] 。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及“兩化”融合的深
入,傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)與IT 系統(tǒng),甚至與Internet 連
接越來(lái)越緊密,導(dǎo)致ICS 面臨的安全威脅不斷增多。
近年來(lái),ICS 領(lǐng)域的信息安全事件頻發(fā)。2010 年一個(gè)
名為“震網(wǎng)”的病毒攻擊了伊朗的布什爾核電站,導(dǎo)致
離心機(jī)大量損壞,嚴(yán)重打擊了伊朗的核計(jì)劃[2] 。層出
不窮的控制系統(tǒng)信息安全事件表明,加強(qiáng)ICS 的保護(hù)
已經(jīng)變得迫在眉睫。
風(fēng)險(xiǎn)的量化評(píng)估是ICS 信息安全研究的重要基
礎(chǔ)。國(guó)外ICS 信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估起步較早,已建立了
如NIST800-82、ISA/ IEC 62443 等的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和指
南[3-4] ;而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚處于探索階段。目
前,國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一套行之有效的針對(duì)ICS 信息安全
風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估方法。本文針對(duì)ICS 的特點(diǎn), 以
NIST800-82 和IEC 62443 為依據(jù),進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析,提
出了基于模糊層次分析法(analytic hierarchy process,
AHP)的ICS 信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。經(jīng)過(guò)實(shí)例論證,
該方法行之有效,可以為工業(yè)控制領(lǐng)域信息安全風(fēng)險(xiǎn)
評(píng)估工作提供借鑒。
1 信息安全風(fēng)險(xiǎn)分析
全面的風(fēng)險(xiǎn)分析是開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提。ICS 有
區(qū)別于傳統(tǒng)IT 系統(tǒng)的特點(diǎn),如ICS 不能容忍延遲和無(wú)計(jì)
劃的中斷發(fā)生,任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)加密認(rèn)證產(chǎn)生的延遲都
可能會(huì)造成系統(tǒng)故障,由于ICS 的邏輯執(zhí)行會(huì)直接影響
物理世界,設(shè)備出現(xiàn)故障后可能造成有毒原料泄漏、區(qū)
域停電等大規(guī)模不可預(yù)知的影響[5] 。ICS 的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)表
明其對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求非常高。因此,在確保系統(tǒng)
滿(mǎn)足信息安全需求的同時(shí),應(yīng)盡量避免所部署的安全設(shè)
備對(duì)工藝過(guò)程的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性造成影響。
風(fēng)險(xiǎn)分析分別從滿(mǎn)足信息安全需求和工藝需求兩
個(gè)方面對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行識(shí)別,形成資產(chǎn)類(lèi)要素;根據(jù)資產(chǎn)脆
弱點(diǎn)的嚴(yán)重程度識(shí)別系統(tǒng)脆弱性要素;再對(duì)ICS 面臨的
21
工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估量化研究 盧慧康,等
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 35 No. 10 October 2014
威脅要素和已部署的安全措施類(lèi)要素進(jìn)行全面的識(shí)別,
最終建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。通過(guò)分析各要素之間的關(guān)聯(lián)
程度,計(jì)算出系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)值。風(fēng)險(xiǎn)分析模型如圖1
所示。
圖1 風(fēng)險(xiǎn)分析模型圖
Fig. 1 Risk analysis model
1. 1 資產(chǎn)識(shí)別
資產(chǎn)的價(jià)值屬性是其風(fēng)險(xiǎn)存在的根源。ICS 資產(chǎn)
存在的形式多種多樣,按照資產(chǎn)不同的存在形式,可歸
為4 大類(lèi):硬件資產(chǎn)、軟件資產(chǎn)、人力資源、專(zhuān)利商譽(yù)。
從滿(mǎn)足工藝需求和滿(mǎn)足安全需求兩個(gè)方面對(duì)資產(chǎn)
進(jìn)行識(shí)別。如滿(mǎn)足工藝需求的硬件資產(chǎn)主要有遠(yuǎn)程終
端裝置(remote terminal unit,RTU)、可編程邏輯控制器
(programmable logic controller,PLC)、SCADA 服務(wù)器或
主終端單元(main terminal unit, MTU)、智能電子設(shè)備
(intelligent electronic devices ,IED)、輸入/ 輸出(I/ O)
服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)等。滿(mǎn)足安全需求的硬件資產(chǎn)
包括主機(jī)、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)、防火墻等。滿(mǎn)足工藝
需求的軟件資產(chǎn)主要有組態(tài)監(jiān)控軟件、工控編程軟件
等。滿(mǎn)足安全需求的軟件資產(chǎn)主要是指通信軟件、互
聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件、辦公軟件、防病毒軟件等。
1. 2 威脅識(shí)別
工業(yè)控制系統(tǒng)遭受的威脅日益嚴(yán)峻。關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)
施的安全是國(guó)家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,因此也成為了
敵對(duì)政府、商業(yè)間諜、恐怖組織等外部惡意入侵者進(jìn)行
信息戰(zhàn)的重要戰(zhàn)場(chǎng)[6] 。系統(tǒng)內(nèi)部有意的人為事故、無(wú)
意的操作失誤和設(shè)備故障等也會(huì)對(duì)ICS 造成破壞。例
如,一些組織內(nèi)部存在移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)混用、隨意安裝各
類(lèi)軟件、訪(fǎng)問(wèn)未經(jīng)授權(quán)網(wǎng)站等行為,這類(lèi)行為不僅影響
工作效率,造成操作失誤,更為病毒、木馬等惡意代碼
侵入系統(tǒng)留下隱患。本文按照威脅的來(lái)源進(jìn)行分類(lèi),
將威脅細(xì)分為5 類(lèi):自然環(huán)境威脅、內(nèi)部無(wú)意威脅、內(nèi)
部有意威脅、外部攻擊和第三方威脅。
1. 3 脆弱性識(shí)別
脆弱性的識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
ICS 的脆弱性總體上可分為技術(shù)和管理兩個(gè)方面。一
直以來(lái),ICS 的設(shè)計(jì)部署主要滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)
定性,忽略了信息安全要求,這使得系統(tǒng)本身在平臺(tái)、
網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)層面存在脆弱性。同時(shí),組織內(nèi)部信息安
全管理措施嚴(yán)重缺乏,如安全防范制度不完善,安全設(shè)
備的操作流程不明確,無(wú)定期、有效的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)檢查措
施,人員的信息安全意識(shí)淡薄,應(yīng)急培訓(xùn)落后等。
1. 4 安全措施識(shí)別
威脅能夠利用脆弱性對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行攻擊,部署安全措
施目的是降低威脅事件發(fā)生的概率和產(chǎn)生的影響,從而
降低系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。而不適當(dāng)?shù)陌踩胧┍旧砭痛嬖诳?
以被利用的脆弱性。因此,在風(fēng)險(xiǎn)分析的過(guò)程中,必須
對(duì)其已經(jīng)部署的安全控制措施的有效性進(jìn)行全面的檢
查評(píng)估。ICS 常采取的安全控制措施主要有[7] :制定相
關(guān)法律法規(guī)、工作程序和工作指南;建立合理的組織架
構(gòu)、配備相關(guān)人員;采取合理有效的技術(shù)措施等。
一般來(lái)說(shuō),單一的安全措施所發(fā)揮的防范作用是
有限的,其部署具有集合性,即某一類(lèi)有效的安全措施
的集合。如圖2 所示,根據(jù)安全措施的部署的集合性
和所發(fā)揮的作用分為:預(yù)防性安全措施、檢測(cè)性安全措
施以及補(bǔ)救性安全措施。
圖2 工業(yè)控制系統(tǒng)的安全措施
Fig. 2 Security measures for industrial control system
2 信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
2. 1 層次分析法
層次分析法(AHP)最早是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)教
授薩蒂于20 世紀(jì)70 年代提出,后在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域廣
泛應(yīng)用[8] 。它是一種定性分析和定量分析相結(jié)合的多
層次權(quán)重決策分析方法,其核心思想是對(duì)復(fù)雜決策問(wèn)
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工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估量化研究 盧慧康,等
《自動(dòng)化儀表》第35 卷第10 期 2014 年10 月
題的本質(zhì)、影響要素以及內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行深入分析,建立
層次結(jié)構(gòu)模型,構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣,計(jì)算各要素的
權(quán)值并按其重要性進(jìn)行排序。
層析分析法的研究熱點(diǎn)[9-10] 主要集中在判斷矩陣
的構(gòu)造和調(diào)整、排序權(quán)值的合理計(jì)算和判斷矩陣的一
致性檢驗(yàn)問(wèn)題。常用的計(jì)算判斷矩陣排序權(quán)值的方法
有:①和積法;②列和求逆法;③行和正規(guī)化法;④特征
值法。其中,前3 種方法只考慮判斷矩陣單一行列的
影響,計(jì)算精度不高,常作為迭代初值。特征值法運(yùn)用
范圍較廣,但沒(méi)有考慮到判斷矩陣一致性條件,所以當(dāng)
判斷矩陣的一致性很差時(shí),求解特征值就很困難,需要
反復(fù)地調(diào)整、檢驗(yàn)[11] 。同時(shí),專(zhuān)家在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)各要素兩
兩比較的定性評(píng)價(jià)中采用極端的判斷,沒(méi)有體現(xiàn)客觀(guān)
世界各要素之間普遍存在的不確定性和模糊性。
2. 2 模糊層次分析法
針對(duì)前述問(wèn)題,本文對(duì)傳統(tǒng)層次分析法進(jìn)行了改
進(jìn),引入模糊數(shù)學(xué)概念,與層次分析法相結(jié)合,形成模
糊層次分析法。該方法采用專(zhuān)家模糊評(píng)判的方式構(gòu)造
模糊互補(bǔ)矩陣,并對(duì)矩陣進(jìn)行一致化處理,構(gòu)造模糊一
致判斷矩陣,對(duì)各要素的相對(duì)重要性進(jìn)行排序。該方
法解決了判斷矩陣的一致性問(wèn)題。
2. 2. 1 模糊一致判斷矩陣
定義1 若模糊矩陣R=(rij )n×n滿(mǎn)足條件rij +rji =1,
i,j =1,2,…,n,則稱(chēng)模糊矩陣R 為模糊互補(bǔ)判斷矩陣。
定義2 若模糊互補(bǔ)矩陣R =(rij )n×n滿(mǎn)足條件rij =
rik -rjk +0. 5,i,j,k = 1,2,…,n,則稱(chēng)R 為模糊一致判斷
矩陣。
專(zhuān)家的模糊判斷所構(gòu)造的判斷矩陣是模糊互補(bǔ)判
斷矩陣R =(rij )n×n ,對(duì)模糊互補(bǔ)判斷矩陣R =(rij )n×n按
行求和記為ri 。按公式fij =ri -rj
2n +0. 5,對(duì)其實(shí)施數(shù)學(xué)變
換,由此建立模糊一致判斷矩陣RM =(fij )n×n 。
在模糊一致判斷矩陣中,fij是元素i 與j 相對(duì)重要
性的度量,且fij越大,元素i 比j 越重要。矩陣優(yōu)先關(guān)
系數(shù)量標(biāo)度如表1 所示。
表1 矩陣優(yōu)先關(guān)系數(shù)量標(biāo)度方法
Tab. 1 Quantitative scaling methods of matrix
precedence relation
標(biāo)度含義
0. 5<1>

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