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工業(yè)控制系統(tǒng)安全綜述

文檔作者：陶耀東1 2 李寧1 曾廣圣1 文檔來(lái)源： 1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月12日
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Computer Engineering and 2016，52（13） Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
1 引言
工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）是指用于操作、控制、輔助自動(dòng)
化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)備、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)以及控制器的集合[1]。
包括數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)
（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、智能終端、人機(jī)交互
接口（HMI）等系統(tǒng)[2]。被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，包
括化工化學(xué)、制藥、食品/飲料、水電能源、石油、天然氣、
離散制造、自動(dòng)化生產(chǎn)、交通、航空航天等，在國(guó)家基礎(chǔ)
設(shè)施中扮演著至關(guān)重要的角色，是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要
資源。
隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息化與工業(yè)化深
度融合以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品越來(lái)
越多地采用通用協(xié)議、通用硬件和通用軟件。網(wǎng)絡(luò)化浪
潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無(wú)
線技術(shù)等新興技術(shù)融合進(jìn)來(lái)，從而拓展了工業(yè)控制的發(fā)
展空間，帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇；同時(shí)也帶來(lái)了工業(yè)控制系
工業(yè)控制系統(tǒng)安全綜述
陶耀東1，2，李寧1，曾廣圣1
TAO Yaodong1，2, LI Ning1, ZENG Guangsheng1
1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽(yáng)110168
2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司，沈陽(yáng)110168
1.Shenyang Institute of Computing Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168, China
2.Shenyang Institute of Computing Technology Co., Ltd., Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168, China
TAO Yaodong, LI Ning, ZENG Guangsheng. Review of industrial control systems security. Computer Engineering
and Applications, 2016, 52（13）：8-18.
Abstract：Industrial Control System（ICS）as the core of the national infrastructure control equipment, the security affects
national economy and people’s livelihood. After the Stuxnet virus outbreak, it gradually attracts national, business and strategic
security people attention. This paper analyzes the structure and assets, vulnerability, threats, security countermeasures and
risk assessment five aspects of industrial control system. It provides a four-levels-function security management model which
imitates the immune system, and then elaborates the defense in depth, firewall, abnormal examination, Conpot, secure remote
access and management strategy. The paper points out that ICS security will become the greatest opportunity and challenge
to the smart city, smart manufacturing, industrial 4.0 and other emerging technologies. Finally, according to the domestic
industrial security plan, it makes recommendations for industrial security and looks forward ICS security prospects.
Key words：Industrial Control System（ICS）; Control Systems Honeypot（Conpot）; security; defense-in-depth
摘要：工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的核心控制設(shè)備，其安全關(guān)系國(guó)計(jì)民生。震網(wǎng)（Stuxnet）病毒爆發(fā)以
后，工控安全逐漸引起國(guó)家、企業(yè)、戰(zhàn)略安全人士的高度重視?？偨Y(jié)分析了工控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)資產(chǎn)、脆弱性、存在的威
脅、安全措施與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等內(nèi)容；提出了四層功能的仿免疫系統(tǒng)的安全管理模型，并重點(diǎn)分析其中的關(guān)鍵防御技術(shù)，
例如深度防御、防火墻、異常檢查、Conpot（Control Systems Honeypot）、安全遠(yuǎn)程訪問(wèn)以及管理策略；指出工控系統(tǒng)
安全將會(huì)是智慧城市、智慧制造與工業(yè)4.0 等新興技術(shù)的發(fā)展契機(jī)與最大挑戰(zhàn)；最后結(jié)合國(guó)內(nèi)工控安全布局規(guī)劃，給
出工控安全建議，并展望未來(lái)的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）；Conpot 系統(tǒng)；安全；深度防御
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 中圖分類號(hào)：TP39 doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1602-0207
基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)市2014 年科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.F14-056-7-00）；“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)（No.2013ZX04007031）。
作者簡(jiǎn)介：陶耀東（1981—），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)，E-mail：taoyd@sict.ac.cn；李寧
（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)；曾廣圣（1990—），男，碩士研究生。
收稿日期：2016-03-01 修回日期：2016-04-30 文章編號(hào)：1002-8331（2016）13-0008-11
8
2016，52（13）
統(tǒng)的信息安全等問(wèn)題[3]。作為國(guó)家戰(zhàn)略組成，工控系統(tǒng)
安全關(guān)系國(guó)家戰(zhàn)略安全。如圖1（a）和（b）（根據(jù)RISI 數(shù)
據(jù)庫(kù)，采用SPSS 統(tǒng)計(jì)（1982 至2015 年1 月））發(fā)生在工控
領(lǐng)域的安全事件與涉及的工業(yè)行業(yè)，數(shù)量不多，但每一
事件都造成巨大損失。以伊朗的震網(wǎng)Stuxnet 為例，此
次事件造成20%的離心機(jī)報(bào)廢，3 萬(wàn)臺(tái)終端感染，相繼在
很多國(guó)家工控設(shè)備中發(fā)現(xiàn)震網(wǎng)病毒。
美國(guó)、歐盟工控安全研究起步早，取得較大成果。
尤其是美國(guó)，起步早，研究?jī)?nèi)容全面，發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)、
指導(dǎo)性文獻(xiàn)大都出現(xiàn)第三代更新版；國(guó)土安全部成立
ICS-CERT（工控安全應(yīng)急小組），建設(shè)有包括愛(ài)達(dá)荷國(guó)
家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
等六家工業(yè)控制系統(tǒng)安全研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，NIST 制定
標(biāo)準(zhǔn)NIST SP800-82、NIST800-53 等，且在不斷地更新
標(biāo)準(zhǔn)以適用新的安全局勢(shì)。歐盟網(wǎng)絡(luò)與信息安全局制
定?？侗Ｗo(hù)工業(yè)控制系統(tǒng)》，被稱為是歐盟工控安全研
究的集大成者[4]；國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定標(biāo)準(zhǔn)
IEC62443，用以指導(dǎo)ICS 安全建設(shè)。
我國(guó)工控安全研究起步晚，呈現(xiàn)出點(diǎn)狀發(fā)展，底子
薄弱的特點(diǎn)。點(diǎn)狀發(fā)展表現(xiàn)為，研究機(jī)構(gòu)企業(yè)分散，
2014 年雖有很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)開(kāi)始專門研究ICS 安全，但
都是孤軍奮戰(zhàn)；底子薄弱表現(xiàn)為，核心設(shè)備全靠進(jìn)口，工
控安全研究起步晚，大部分靠參考國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，如文獻(xiàn)[5]
提出的縱深防御可在NIST SP800-82 中找到原型。雖
然，近兩年出現(xiàn)一些工控安全的研究單位和企業(yè)，但是
都沒(méi)有形成權(quán)威性的機(jī)構(gòu)，還不能與國(guó)際頂尖的研究團(tuán)
隊(duì)比肩。
本文從工控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)資產(chǎn)、脆弱性、存在的威脅、
安全措施與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等五個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)外工控安全
研究的進(jìn)展，并重點(diǎn)就其中的深度防御、防火墻、異常檢
測(cè)、Conpot、安全遠(yuǎn)程訪問(wèn)與管理策略等進(jìn)行評(píng)述，最后
結(jié)合國(guó)內(nèi)工控安全布局規(guī)劃，對(duì)工控安全提出建議，并
展望未來(lái)的發(fā)展前景。
2 工業(yè)控制系統(tǒng)資產(chǎn)（ICS Asset）與安全需求
PAS（Human Reliability Company）公司指出，你不
能保證你沒(méi)看見(jiàn)的東西處于安全狀態(tài)。工業(yè)控制系統(tǒng)
邏輯范圍廣，應(yīng)用軟件多，涉及硬件復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備與
生產(chǎn)環(huán)境多樣，一旦遭到破壞，可能對(duì)物理世界造成
直接的巨大傷害，研究其架構(gòu)和所涉資產(chǎn)（ICS Asset
Inventory），對(duì)工控安全的研究具有重要意義。無(wú)論是
ICS-CERT 還是國(guó)內(nèi)的工控安全企業(yè)，都提出精確的工
控設(shè)備清單是工控安全的基礎(chǔ)。設(shè)備清單用于登記工
控系統(tǒng)中的資產(chǎn)及其所處的安全狀態(tài)。文獻(xiàn)[6]指出工
業(yè)控制系統(tǒng)包括“硬件資源”、“軟件資源”、“存儲(chǔ)其中的
數(shù)據(jù)資源”以及“與工控系統(tǒng)相連的生產(chǎn)設(shè)備”與“生產(chǎn)
環(huán)境”。
從滿足工藝需求和安全需求考慮，硬件資源包括[7]
RTU、PLC、SCADA、IED、現(xiàn)場(chǎng)總線，主機(jī)、路由、網(wǎng)關(guān)
等；軟件資源有組態(tài)監(jiān)控軟件、工控編程軟件、通訊軟
件、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件、辦公軟件、殺毒軟件等，總結(jié)如圖2。
標(biāo)準(zhǔn)IEC62443 對(duì)工控系統(tǒng)信息安全的定義：“保護(hù)
系統(tǒng)所采取的措施；由建立和維護(hù)保護(hù)系統(tǒng)的措施所得
到的系統(tǒng)狀態(tài)；能夠免于對(duì)系統(tǒng)資源的非授權(quán)訪問(wèn)和非
授權(quán)或意外的變更、破壞或者損失；基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的
能力，能夠保證非授權(quán)人員和系統(tǒng)既無(wú)法修改軟件及其
數(shù)據(jù)，也無(wú)法訪問(wèn)系統(tǒng)功能，確保授權(quán)人員和系統(tǒng)不被
1982
1985
1988
1989
1991
1992
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
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2006
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2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
40
30
20
10
0
年份
工控事件數(shù)量
（a）工控安全事件年份統(tǒng)計(jì)
Mining
Pharmaceutical
Electronic
Manufacturing
Automotive
Metals
General
Manufacturing
Pulp and Paper
Unknown
Chemical
Food &amp;amp; Beverage
Other
Water/Waste
Water
Petroleum
Power and
Utilities
Transportation
工業(yè)行業(yè)
（b）工控安全事件行業(yè)分布
圖1 工控安全事件統(tǒng)計(jì)
高級(jí)工程師辦公PC 辦公PC
智能終端
防火墻
Internet
移動(dòng)設(shè)備
企業(yè)網(wǎng)絡(luò)
工作站辦公外設(shè)
SCADA
服務(wù)器服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)
設(shè)備總線
RTU PLC HMI
現(xiàn)場(chǎng)
人員生產(chǎn)環(huán)境執(zhí)行設(shè)備傳感器生產(chǎn)設(shè)備
圖2 ICS 資產(chǎn)圖
陶耀東，李寧，曾廣圣：工業(yè)控制系統(tǒng)安全綜述9
Computer Engineering and 2016，52（13） Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
阻止；防止對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的非法或有害入侵，或者干
擾其正確和計(jì)劃的操作。”總結(jié)為物理安全、功能安全以
及信息安全，強(qiáng)調(diào)不同于傳統(tǒng)IT 安全的需求，首先保證
整個(gè)系統(tǒng)的可用性和可靠性，其次才是保證控制平臺(tái)的
可靠性與存儲(chǔ)其中數(shù)據(jù)的機(jī)密性。
3 分析工控安全面臨的威脅
ICS 威脅指的是可能給ICS 資產(chǎn)造成損失的來(lái)源，
威脅分五大類，具體如下[6-9]。
第一，環(huán)境和自然威脅：供電不足、電磁干擾、靜電、
惡劣的溫度濕度條件、粉塵等，地震、雷電、臺(tái)風(fēng)、洪澇、
火災(zāi)等。第二，內(nèi)部無(wú)意威脅：操作失誤、軟件故障、硬
件故障老化、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載、隱藏信道（Covert Channels）。
第三，內(nèi)部有意威脅：蓄意破壞、非授權(quán)篡改、非授權(quán)使
用、竊取竊聽(tīng)內(nèi)部重要信息。第四，外部攻擊：普通攻
擊、商業(yè)竊密、信息戰(zhàn)、恐怖襲擊等。第五，第三方人員：
留有后門，第三方人員在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，可能會(huì)未
授權(quán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更改或安裝非法軟件。
卡巴斯基實(shí)驗(yàn)室與文獻(xiàn)[10]強(qiáng)調(diào)以工控系統(tǒng)為目
標(biāo)的攻擊才是真正的威脅，根據(jù)威脅源是否以破壞工控
系統(tǒng)目標(biāo)，分為“無(wú)意識(shí)威脅”與“惡意威脅”?！盁o(wú)意識(shí)威
脅”指不以工控系統(tǒng)為攻擊目標(biāo)的威脅源，如自然災(zāi)害、
意外事故和機(jī)械儀器老化等。
威脅源層次圖如圖3 所示。
ICS-CERT、陳星、賈卓生[11]與文獻(xiàn)[12]統(tǒng)計(jì)具有主
觀惡意威脅如下：蠅蛆網(wǎng)絡(luò)（Bot-network）運(yùn)行者、犯罪
團(tuán)伙（Criminal groups）、恐怖分子、黑客（Hackers）、國(guó)外
的智能服務(wù)（Foreign intelligence services）、內(nèi)部人員
（Insiders）、釣魚(yú)客（Phishers）與Spammers、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)
業(yè)間諜與不滿的顧客。
不同于傳統(tǒng)IT 安全需求CIA 特性排序，工控安全
的安全需求排序是AIC（Availability，Integrity，Confidentiality）[
13]，將攻擊分為三類，分別是可用性攻擊，如拒絕
訪問(wèn)；完整性攻擊，如SQL 注入攻擊、修改關(guān)鍵數(shù)據(jù)；機(jī)
密性攻擊，如未授權(quán)獲取數(shù)據(jù)等。針對(duì)工控系統(tǒng)的攻擊
往往不是單一形式，往往有效率、破壞性大的攻擊是多
步驟的，糅合多種技術(shù)[14]。
具體的攻擊表現(xiàn)形式：重放攻擊、中間人攻擊、遠(yuǎn)程
修改RTU邏輯、DoS攻擊、零日漏洞攻擊、APT（Advanced
Persistent Threat）高級(jí)持續(xù)性威脅、掛馬、漏洞攻擊、惡
意軟件攻擊、網(wǎng)絡(luò)釣魚(yú)、間諜軟件、SPAM、SQL 注入攻
擊、端口掃描、脆弱性掃描、信息泄露、社會(huì)工程學(xué)攻擊等。
使用工業(yè)控制系統(tǒng)的行業(yè)普遍存在上文討論的安
全威脅，而對(duì)于特定的工控領(lǐng)域，也存在其典型的危
險(xiǎn)。文獻(xiàn)[15-22]總結(jié)智能電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨的威脅包
括三個(gè)層面：第一是設(shè)備安全威脅，包括智能電網(wǎng)的智
能終端，WSN 的無(wú)線傳感器被惡意盜竊和篡改信息或
者自然災(zāi)害侵蝕與老化，終端被安裝“邏輯炸彈”，這將
嚴(yán)重影響智能電網(wǎng)的正常運(yùn)行；第二是網(wǎng)絡(luò)安全威脅，
針對(duì)智能電網(wǎng)的常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊包括Sinkhole 攻擊、選擇
性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊、Sybil 攻擊、Wormhole 攻擊、DoS 攻擊、信息
泄露、惡意拖延、破壞智能電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸和
交換，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)混亂崩潰；第三則是數(shù)據(jù)安全威脅，
經(jīng)典的攻擊是稀疏秘密攻擊（Sparse Stealth Attacks）、
虛假數(shù)據(jù)注入攻擊（FAIAs，F(xiàn)alse Data Injection Attacks）、
數(shù)據(jù)泄露，它們篡改智能電網(wǎng)的發(fā)、輸、配、用電數(shù)據(jù)，因
為電網(wǎng)用戶量大，數(shù)據(jù)多，這種修改方式難以察覺(jué)，往往
引起長(zhǎng)時(shí)間的管理混亂，不利于智能電網(wǎng)的健康運(yùn)行。
威脅源攻擊系統(tǒng)的一般步驟為：信息收集、網(wǎng)絡(luò)掃
描、賬戶破解、實(shí)施攻擊。
4 分析工控系統(tǒng)存在的脆弱性
脆弱性：指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件、軟件、協(xié)議的具體實(shí)
現(xiàn)或者系統(tǒng)安全策略上存在的不足或缺陷[8]。根據(jù)文
獻(xiàn)[23-26]統(tǒng)計(jì)ICS 中存在的脆弱性，總結(jié)如下：
（1）策略、政策及管理的脆弱性
現(xiàn)代工控系統(tǒng)已不再是原先工廠形式的封閉“孤
島”，而是一個(gè)全面開(kāi)放的系統(tǒng)，這需要新的安全理念、
安全策略和管理流程。例如，管理控制系統(tǒng)的政策、程
序文化不足；遠(yuǎn)程訪問(wèn)缺乏合適的訪問(wèn)控制策略；對(duì)核
心支持設(shè)備管理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不恰當(dāng)。
（2）工控平臺(tái)、終端的脆弱性
現(xiàn)代工控系統(tǒng)大量使用PC 機(jī)，而工控PC 機(jī)通常用
于控制不間斷生產(chǎn)，在運(yùn)行期間不允許停機(jī)檢修更新軟
件，同時(shí)工控PC 需要大量軟件。這些導(dǎo)致工控PC 終端
更新緩慢，引入漏洞長(zhǎng)久得不到修復(fù)。例如，控制系統(tǒng)
中使用的系統(tǒng)管理機(jī)制和軟件都沒(méi)有充分審查或維持，
不安全的無(wú)線通信用于控制；工具應(yīng)用不足，不能檢查
和報(bào)告異常；將未授權(quán)和不適當(dāng)?shù)膽?yīng)用軟件或硬件設(shè)備
接入控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
供電不足
電磁干擾
靜電
雷電
恐怖分子
Terrorist 蠅蛆網(wǎng)絡(luò)
（Bot-network）
運(yùn)行者
產(chǎn)業(yè)間諜
（Industrial
espionage）
釣魚(yú)客（Phishers）
與Spammers
犯罪團(tuán)伙
（Criminal groups）
國(guó)外的智能服務(wù)
（Foreign intelligence
services）
內(nèi)部人員（Insiders） 黑客（Hackers）
火災(zāi)、粉塵
惡劣的溫度
濕度條件
地震、臺(tái)風(fēng)、
洪澇
ICS
圖3 威脅源層次圖
10
2016，52（13）
（3）工控網(wǎng)絡(luò)的脆弱性
工控網(wǎng)絡(luò)包括兩部分：其一是與外部連接的網(wǎng)絡(luò)，
仍然是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，使用TCP/IP 協(xié)議；另一部分
是內(nèi)部的總線網(wǎng)絡(luò)，使用工控網(wǎng)絡(luò)的專有協(xié)議。這二者
的設(shè)計(jì)之初都沒(méi)有考慮安全需求，僅為完成傳輸功能設(shè)
計(jì)。網(wǎng)絡(luò)的脆弱性來(lái)自三個(gè)方面，協(xié)議只為完成可用設(shè)
計(jì)；軟件存在漏洞，配置不合理；網(wǎng)絡(luò)邊界不明確；非專
用通信通道用于傳輸控制信號(hào)或者在控制信號(hào)專用通
道上傳輸其他信號(hào)。
以上文獻(xiàn)總結(jié)的脆弱性具體表現(xiàn)在：不恰當(dāng)?shù)妮斎?
驗(yàn)證，許可、授權(quán)與訪問(wèn)控制不嚴(yán)格，不恰當(dāng)?shù)纳矸蒡?yàn)
證，驗(yàn)證數(shù)據(jù)真實(shí)性不足，差的代碼質(zhì)量指標(biāo)，ICS 軟件
配置維護(hù)不足，憑證管理不嚴(yán)，使用的加密算法已過(guò)時(shí)，
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)孱弱，審計(jì)問(wèn)責(zé)制度羸弱等。
ICS 的脆弱性并不是單一存在的，往往是政策、平
臺(tái)終端、網(wǎng)絡(luò)脆弱性并存的，以分布式控制系統(tǒng)（DCS）
中的工業(yè)無(wú)線傳感器（Industrial Wireless Sensor Networks，
IWSNs）為例，文獻(xiàn)[27-34]總結(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主
要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與控制管理，是工業(yè)控制系
統(tǒng)最基礎(chǔ)構(gòu)成；平臺(tái)終端脆弱性：傳感器的工作環(huán)境惡
劣伴隨有強(qiáng)烈震動(dòng)、高溫高壓、腐蝕性有毒氣體等，處于
無(wú)人維護(hù)，不可控環(huán)境中，還有新出現(xiàn)的硬件木馬
（Hardware Trojans，HWTs）；網(wǎng)絡(luò)脆弱性：在通信上存在
噪聲、多信道干擾、能量衰減、信息容量下降等問(wèn)題，另
外工業(yè)控制信號(hào)都是實(shí)時(shí)信號(hào)，無(wú)線傳輸存在時(shí)延問(wèn)
題，采用高級(jí)加密與認(rèn)證技術(shù)不合適，導(dǎo)致其易被惡意
盜竊和篡改信息，因無(wú)線連接，任何在傳輸范圍內(nèi)的設(shè)
備都可輕易接入網(wǎng)絡(luò)，易被竊聽(tīng)，非法篡改數(shù)據(jù)，針對(duì)
SCADA 攻擊（ad-hoc SCADA-tailored attacks），甚至破
壞傳感器和捕獲傳感器；政策脆弱性：新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
需要新的通信協(xié)議與管理策略，目前處于空白階段。
5 工控系統(tǒng)的安全措施
5.1 安全需求描述
傳統(tǒng)的IT 是安全是網(wǎng)絡(luò)安全，而工控系統(tǒng)安全同
時(shí)包含網(wǎng)絡(luò)安全與底層物理環(huán)境的安全。工控系統(tǒng)直
接與生產(chǎn)環(huán)境、真實(shí)物理世界相連，是傳統(tǒng)IT 嵌入關(guān)
鍵基礎(chǔ)設(shè)施，融合信息、通信、傳感和控制形成的CPS
（Cyber-Physical Systems）環(huán)境[35-38]，一旦遭到破壞，直接
對(duì)現(xiàn)實(shí)的工程環(huán)境造成巨大傷害，所造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大
于傳統(tǒng)IT 安全事故。工控系統(tǒng)的安全需要解決兩類威
脅，對(duì)于“無(wú)意識(shí)威脅”，構(gòu)造防風(fēng)、防水、防火避雷等物
理環(huán)境與報(bào)警系統(tǒng)，以避免自然災(zāi)害；對(duì)于儀器老化等
自身問(wèn)題，采用PHM技術(shù)，監(jiān)督預(yù)測(cè)管理設(shè)備的生命狀
態(tài)[39]。對(duì)于惡意威脅源則需要用到多種安全技術(shù)。
當(dāng)前最常用的安全技術(shù)是入侵檢測(cè)、漏洞掃描與縱
深防御技術(shù)。漏洞掃描技術(shù)對(duì)零日漏洞攻擊無(wú)能為力；
縱深防御防火墻只能防御來(lái)自外部的攻擊，對(duì)跨防火墻
的行為無(wú)能為力，也不能防御內(nèi)部的攻擊；入侵檢測(cè)只
能單純的檢測(cè)異常行為，不能提高工控系統(tǒng)的“恢復(fù)
能力”[40-45]。
基于現(xiàn)存單一安全技術(shù)的不足，提出完善的工控安
全防御模型。完善的工控系統(tǒng)安全防御模型應(yīng)具備四
個(gè)層次功能：（1）阻擋外部入侵；（2）檢測(cè)內(nèi)部異常；（3）
快速恢復(fù)功能正常、穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境；（4）智能化的實(shí)現(xiàn)
以上三個(gè)防御過(guò)程。
結(jié)合國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-99、IEC62443，標(biāo)準(zhǔn)
NIST SP 800-82 參考文獻(xiàn)[46]，總結(jié)構(gòu)建如圖4 的ICS
防御體系。下面依據(jù)該防御體系，總結(jié)國(guó)內(nèi)外各類安全
措施的發(fā)展?fàn)顩r與實(shí)現(xiàn)方法。
5.1.1 安全不可忽略管理因素
（1）企業(yè)高管參與安全管理[46-50]
企業(yè)大多將安全問(wèn)題交給安全技術(shù)專家處理，而忽
略自身管理上的漏洞。企業(yè)高管擁有高權(quán)限，一旦被攻
擊，造成的損失遠(yuǎn)大于普通員工。企業(yè)高管應(yīng)當(dāng)也是安
全管理的高管。
（2）實(shí)現(xiàn)員工安全培訓(xùn)程序
文獻(xiàn)[46，51-53]中指出社會(huì)工程學(xué)攻擊、釣魚(yú)攻擊，
瀏覽器中的腳本攻擊和注入攻擊、郵件掃描攻擊等大量
攻擊都利用了員工無(wú)意泄露的敏感信息，員工缺乏安全
意識(shí)是安全的一大漏洞。
（3）建立基于角色的訪問(wèn)控制機(jī)制
工控系統(tǒng)中的工作人員有高級(jí)工程師、工程師、管
理人員、現(xiàn)場(chǎng)操作員等，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)考慮，分為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)
區(qū)、控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)、外部網(wǎng)絡(luò)等。不同的分工應(yīng)當(dāng)賦予不
同的權(quán)限，讓現(xiàn)場(chǎng)操作員可以訪問(wèn)高級(jí)工程師的數(shù)據(jù)庫(kù)
顯然是不合適的。文獻(xiàn)[54]提出將嚴(yán)格的基于角色的
訪問(wèn)控制機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)分區(qū)、審計(jì)技術(shù)、白名單策略結(jié)合，
可以達(dá)到很好的防護(hù)效果。
資產(chǎn)清單/安全狀態(tài)圖
VPN安全遠(yuǎn)程訪問(wèn)
日志審計(jì)技術(shù)
高管、員工安全意識(shí)培訓(xùn)
態(tài)勢(shì)感知（SARA）
異常
檢測(cè)
入侵
防御
工控蜜罐
Conpot
事件響應(yīng)
計(jì)劃
網(wǎng)
絡(luò)
分
區(qū)
/
縱
深
防
御
強(qiáng)口令管理
訪問(wèn)控制
防
火
墻
/
白
名
單
ICS
安
全
防
御
體
系
外界網(wǎng)絡(luò)
圖4 ICS 安全管理模型
陶耀東，李寧，曾廣圣：工業(yè)控制系統(tǒng)安全綜述11
Computer Engineering and 2016，52（13） Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
國(guó)外政策管理非常完善，上面描述的安全策略都已
經(jīng)實(shí)現(xiàn)，且有相應(yīng)文件公布。國(guó)內(nèi)則處在起步階段，如
管理策略規(guī)定《工業(yè)控制系統(tǒng)安全管理基本要求》、《工
業(yè)控制系統(tǒng)安全檢查指南》尚處于在編階段。
5.1.2 安全需要知己知彼
（1）知己——安全的前提
制作設(shè)備清單，保證任何一件設(shè)備都處在安全的狀
態(tài)。理解并且登記在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的工控系統(tǒng)設(shè)備
及其安全狀態(tài)，是工控安全管理的基礎(chǔ)。工控資產(chǎn)清單
包括硬件清單、軟件清單、軟硬件配置清單、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?
圖等。
（2）知彼——主動(dòng)防御
蜜罐通過(guò)提前接觸攻擊行為可為工控系統(tǒng)添加一
道額外的防線。ICS Security WorkSpace 發(fā)布仿真西門
子S7-300PLC 與工控系統(tǒng)最常見(jiàn)的Modbus 協(xié)議運(yùn)行在
公網(wǎng)的情況，記錄掃描攻擊該系統(tǒng)過(guò)程以及相應(yīng)IP，用
以研究工控系統(tǒng)的防御。文獻(xiàn)[1]使用工控蜜罐網(wǎng)絡(luò)研
究工控系統(tǒng)的威脅源與攻擊過(guò)程。Conpot[55]在GitHub
發(fā)布開(kāi)源工控蜜罐系統(tǒng)Conpot，該系統(tǒng)是工業(yè)控制系統(tǒng)
服務(wù)器端的低交互的蜜罐技術(shù)，設(shè)計(jì)易于布置、修改和
擴(kuò)展，通過(guò)提供各種通用的工業(yè)控制協(xié)議，可以構(gòu)建需
要的系統(tǒng)，能夠模擬構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，以假亂真，使不安好
心的人成功發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨大的工控系統(tǒng)。趨勢(shì)科技在美
國(guó)一小鎮(zhèn)上建立一個(gè)模擬各種ICS/SCADA 的蜜罐設(shè)
備，并且與互聯(lián)網(wǎng)連接，蜜罐中包含了ICS/SCADA系統(tǒng)
的典型安全漏洞，在18 小時(shí)后被攻擊。文獻(xiàn)[56]提出移
動(dòng)蜜罐，該蜜罐可以布置在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的任何位置，將
當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)提供給工控安全管理員。
國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[57]提出采用經(jīng)典的化工反應(yīng)模型田納
西- 伊斯曼過(guò)程，結(jié)合著名的蜜罐軟件Honeyd，依托
Matlab/Simulink 的強(qiáng)大運(yùn)算、仿真能力，將田納西-伊斯
曼過(guò)程實(shí)時(shí)仿真的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的方式傳送
給Honeyd 模擬蜜罐設(shè)備，并通過(guò)Python 腳本語(yǔ)言調(diào)用
的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多種行為響應(yīng)和真實(shí)調(diào)控生產(chǎn)過(guò)程，
檢出新型過(guò)程控制蜜罐系統(tǒng)；文獻(xiàn)[58]提出嵌入式蜜罐
和嵌入式蜜網(wǎng)的思路，并在嵌入式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)蜜罐進(jìn)
行部署和測(cè)試分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，嵌入式蜜罐對(duì)嵌入
式網(wǎng)絡(luò)安全起到保護(hù)作用。
國(guó)外將蜜罐技術(shù)用于研究工控系統(tǒng)的威脅源、攻擊
途徑以及探索防御手段，技術(shù)應(yīng)用成熟，取得了很多成
功；國(guó)內(nèi)應(yīng)用蜜罐技術(shù)與ICS 安全尚處一個(gè)探索的階
段，雖然發(fā)表了不少研究論文，但沒(méi)有可供市場(chǎng)使用的
產(chǎn)品出現(xiàn)。
5.1.3 網(wǎng)絡(luò)分區(qū)管理，區(qū)域間布置防火墻
如圖5 參考NIST SP 800-82、IEC62443 等國(guó)際工
控領(lǐng)域指導(dǎo)性文獻(xiàn)深度防御（Defense-in-Depth）架構(gòu)，
將ICS 劃分為外部區(qū)域集合、控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)、
遠(yuǎn)程訪問(wèn)區(qū)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。從分區(qū)以及防火墻的設(shè)置，總
結(jié)防火墻的防御功能：保護(hù)整個(gè)的內(nèi)部系統(tǒng)免受外部的
攻擊，隔離企業(yè)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程訪問(wèn)區(qū)，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與其
他網(wǎng)絡(luò)隔離，生產(chǎn)區(qū)與控制網(wǎng)絡(luò)隔離。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)介
紹了網(wǎng)絡(luò)分區(qū)與應(yīng)用防火墻保護(hù)工控系統(tǒng)的改進(jìn)過(guò)程，
控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)
現(xiàn)場(chǎng)總線
異常檢測(cè)
應(yīng)用服務(wù)器
數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器
配置服務(wù)器
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
歷史數(shù)據(jù)
HMI 計(jì)算機(jī)
工程工作站
PLC
SCADA
RTU
HMI
控制器
遠(yuǎn)程訪問(wèn)區(qū)
異常檢測(cè)
外部商務(wù)服務(wù)器
WWW服務(wù)器
歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器
安全服務(wù)器
認(rèn)證服務(wù)器
非軍事區(qū)集合
企業(yè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)
商務(wù)服務(wù)器
企業(yè)網(wǎng)絡(luò)
商務(wù)工作站
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
服務(wù)器
代理服務(wù)器FTP 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器
異常檢測(cè)
非軍事區(qū)集合
電子郵件服務(wù)器域名解析服務(wù)器
企業(yè)防火墻
VPN防火墻
光纖信號(hào)
以太網(wǎng)
遠(yuǎn)程訪問(wèn)
其他網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)
合作方、贊助商
無(wú)線發(fā)射
外部網(wǎng)絡(luò)接入
集合
圖5 ICS 深度防御架構(gòu)
12
2016，52（13）
第一階段雙宿主機(jī)防火墻；第二階段在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和控制
網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建防火墻；第三階段添加路由的企業(yè)與控制
網(wǎng)絡(luò)間的防火墻策略；第四階段添加非軍事區(qū)（DMZ）
防火墻；最后是深度防御體系的防火墻策略，深度防御
體系為效果最好的防火墻布置策略。文獻(xiàn)[59]針對(duì)網(wǎng)
絡(luò)布局變化引起網(wǎng)絡(luò)分區(qū)與隔離變化提出基于行為感
知的動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)；文獻(xiàn)[60]提出數(shù)據(jù)二極管，能夠在
不同分區(qū)之間單向傳輸數(shù)據(jù)策略。針對(duì)我國(guó)ICS 特殊
性，防火墻應(yīng)為國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的專用工控防火墻，目前
國(guó)內(nèi)較為成熟的有三零衛(wèi)士“30TrustFWS”，海天煒業(yè)
“Guard”，力控華康“HC-ISG”以及中科網(wǎng)威。國(guó)外，如
加拿大多芬諾公司防火墻，美國(guó)的ConneXium等雖然比
國(guó)內(nèi)的成熟，但是并不建議使用。ICS-CERT[61]建議工
控防火墻使用白名單策略，文獻(xiàn)[62-63]總結(jié)了石化工控
中白名單策略，應(yīng)用白名單列表（application whitelisting），
完成LOGIIC（Linking the Oil and Gas Industry to
Improve Cybersecurity）過(guò)程。
5.1.4 安全的遠(yuǎn)程訪問(wèn)方法
現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)開(kāi)放性提出新的需求，需要能
夠完成遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能。安全的遠(yuǎn)程訪問(wèn)是工控系統(tǒng)開(kāi)
放的基礎(chǔ)，涉及兩個(gè)方面，其一制定遠(yuǎn)程移動(dòng)設(shè)備管理
策略，文獻(xiàn)[51]指出平板電腦、移動(dòng)數(shù)據(jù)處理器、智能手
機(jī)、筆記本等移動(dòng)設(shè)備在工控系統(tǒng)的大量使用給工控安
全帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[64-66]提出移動(dòng)設(shè)備管理策略
應(yīng)該至少要求遠(yuǎn)程訪問(wèn)人員不得在公共網(wǎng)絡(luò)、私人
WiFi、其他單位局域網(wǎng)中登錄，使用安全的網(wǎng)絡(luò)登錄，例
如VPN 登錄，登錄需要使用強(qiáng)口令，并且口令、文件應(yīng)
加密傳輸。
其二要求遠(yuǎn)程訪問(wèn)過(guò)程安全，使用戶像在專用網(wǎng)絡(luò)
訪問(wèn)一樣，VPN技術(shù)無(wú)疑可做到。文獻(xiàn)[67]詳細(xì)介紹遠(yuǎn)
程訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，是美國(guó)國(guó)土安全部發(fā)布的工業(yè)控制系
統(tǒng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)的指導(dǎo)性文獻(xiàn)；文獻(xiàn)[68]提出將VPN技術(shù)應(yīng)
用于企業(yè)之間的遠(yuǎn)程服務(wù)，并詳細(xì)介紹VPN 所涉及的
相關(guān)技術(shù)；劉鋒光[69]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于VPN技術(shù)的水電站遠(yuǎn)
程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，但是他對(duì)安全考慮較少，僅
僅是完成了功能；黃昱澤[70]設(shè)計(jì)一種使用于工業(yè)控制網(wǎng)
絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)放置于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中后，無(wú)需對(duì)工
控設(shè)備做任何改造或配置，便可完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工
作。該網(wǎng)關(guān)不依賴任何硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，適用于各
種SCADA系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的適用性，但該設(shè)計(jì)仍然缺乏
安全考慮，僅僅是功能實(shí)現(xiàn)。
5.1.5 漏洞管理
威脅源利用漏洞對(duì)工控系統(tǒng)展開(kāi)攻擊，如零日漏洞
攻擊?？茖W(xué)的檢測(cè)工控系統(tǒng)漏洞，并合理更新補(bǔ)丁是工
控防御的重要組成。CNVD、CVE、ICS-CERT、中國(guó)國(guó)
家漏洞率、中國(guó)國(guó)家信息安全漏洞共享平臺(tái)等權(quán)威機(jī)構(gòu)
統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)在工控系統(tǒng)的漏洞，可作為漏洞掃描的參考。
漏洞掃描技術(shù)是指利用掃描等手段檢測(cè)目標(biāo)主機(jī)或網(wǎng)
絡(luò)的安全脆弱性，并發(fā)現(xiàn)可利用漏洞的一種安全檢測(cè)技
術(shù)也是一種主動(dòng)防御技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)比較成熟的產(chǎn)品
有綠盟科技的ICSScan 以及啟明星辰和東方電氣聯(lián)合
研發(fā)的天鏡工控漏洞挖掘系統(tǒng)。國(guó)外成熟的工控掃描
系統(tǒng)比較多，如PLCScan、面向硬件的模糊測(cè)試模塊
ICCP、Mu 測(cè)試模塊等，挪威科技大學(xué)終端設(shè)備固件分
析方法PLC 方法等。考慮我國(guó)工信部451 號(hào)通知以及
核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的戰(zhàn)略，不建議使用國(guó)外的掃描系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)，于長(zhǎng)奇[71]提出基于改進(jìn)模糊器的工控系統(tǒng)漏
洞掃描器，在測(cè)試階段成功找出零日漏洞；王歡歡[72]提
出一種層次探測(cè)的漏洞掃描方法，通過(guò)測(cè)試西門子工控
系統(tǒng)，證明該系統(tǒng)的有效性；沈偉峰[73]提出了一種基于
木馬體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)漏洞掃描模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于
木馬體系結(jié)的面向攻擊的網(wǎng)絡(luò)漏洞掃描系統(tǒng)。
補(bǔ)丁是用于修復(fù)漏洞的，對(duì)于傳統(tǒng)IT 中的補(bǔ)丁及
時(shí)更新，但在工控系統(tǒng)中補(bǔ)丁管理情況復(fù)雜，工控系統(tǒng)
是實(shí)時(shí)連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，更新補(bǔ)丁需要科學(xué)的管理，以
減小損失。文獻(xiàn)[74]總結(jié)了企業(yè)內(nèi)部更新補(bǔ)丁、軟件的
指導(dǎo)性文章；文獻(xiàn)[2，75]強(qiáng)調(diào)補(bǔ)丁管理是一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)
程，需要設(shè)置專門的補(bǔ)丁管理人員，并且有軟件清單、硬
件清單、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，熟悉生產(chǎn)的每一個(gè)過(guò)程，能夠
選擇最佳補(bǔ)丁更新策略。工信部451 號(hào)文件要求密切
關(guān)注產(chǎn)品漏洞和補(bǔ)丁發(fā)布，嚴(yán)格軟件升級(jí)、補(bǔ)丁安裝管
理，嚴(yán)防病毒、木馬等惡意代碼侵入。關(guān)鍵工業(yè)控制系
統(tǒng)軟件升級(jí)、補(bǔ)丁安裝前要請(qǐng)專業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)
估和驗(yàn)證，以免破壞其功能安全性。熊琦等人總結(jié)比較
現(xiàn)有各種Fuzzing 測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于工控網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)
缺點(diǎn)，提出工控網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的專用Fuzzing 測(cè)試工具的設(shè)
計(jì)準(zhǔn)則[76]。
5.1.6 異常檢測(cè)與事件響應(yīng)計(jì)劃
異常檢查是對(duì)防火墻的補(bǔ)充，可檢查內(nèi)部攻擊、異
常，可檢測(cè)跨防火墻攻擊。異常檢查包括入侵檢測(cè)、病
毒查殺、異常代碼檢測(cè)等。冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院趙華[77]
對(duì)ICS 信息安全現(xiàn)狀和入侵檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了歸納總結(jié)，
并對(duì)異常檢測(cè)技術(shù)及算法進(jìn)行了概括介紹，提出一種基
于被控對(duì)象模型的非參數(shù)CUSUM異常檢測(cè)方法。黃勇[78]
對(duì)ICS 的發(fā)展概況和信息安全現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，著
重研究開(kāi)源異常檢測(cè)系統(tǒng)Snort 及其規(guī)則，總結(jié)和設(shè)計(jì)
一套基于“工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議——MODBUS 協(xié)議”的
Snort 規(guī)則；針對(duì)ICS 下位機(jī)的控制數(shù)據(jù)、通信協(xié)議、高實(shí)
時(shí)性等特點(diǎn)，結(jié)合聚類的相關(guān)算法，提出一種基于自適
應(yīng)聚類的離群點(diǎn)挖掘算法（Adaptive Clustering-Based
Outlier Detection）。浙江大學(xué)羅耀鋒[79]分析面向ICS 系
統(tǒng)的入侵檢測(cè)的基本問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于多分類SVM的入
侵檢測(cè)方法，其根據(jù)ICS 過(guò)程監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)特性和入侵
特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，適用于ICS 過(guò)程監(jiān)控層的入侵檢測(cè)，設(shè)計(jì)
陶耀東，李寧，曾廣圣：工業(yè)控制系統(tǒng)安全綜述13
Computer Engineering and 2016，52（13） Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
了基于協(xié)議分析和通信模型的入侵檢測(cè)方法。北京工
業(yè)大學(xué)高春梅[80]提出一種基于ARIMA模型的工業(yè)控制
網(wǎng)絡(luò)流量建模方法，用于建立正常的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)流量模
型。彭勇等人提出將工業(yè)控制協(xié)議交互模式中提取系
統(tǒng)級(jí)行為特征來(lái)作為ICS 場(chǎng)景指紋，并將該指紋用于
異常檢查[81]。文獻(xiàn)[82]提出基于Conpot 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)入
侵檢測(cè)技術(shù)（Telemetry Analysis Intrusion Detection
Systems），可適用于各類的工控協(xié)議。
工控設(shè)施受到攻擊是不可避免事件，優(yōu)秀的安全策
略其中一個(gè)重要指標(biāo)是能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到
入侵事件，做出響應(yīng)動(dòng)作，使系統(tǒng)回復(fù)正常的生產(chǎn)過(guò)
程。文獻(xiàn)[83-85]指出應(yīng)急響應(yīng)包括對(duì)入侵事件分類，針
對(duì)不同類型的入侵事件執(zhí)行不同的響應(yīng)動(dòng)作，最后采取
恢復(fù)系統(tǒng)的動(dòng)作；文獻(xiàn)[86]設(shè)計(jì)面向網(wǎng)絡(luò)的故障維修事
件響應(yīng)策略，進(jìn)一步優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間。
5.1.7 態(tài)勢(shì)感知
態(tài)勢(shì)感知指綜合分析ICS 安全要素，評(píng)估ICS 的安
全狀況，預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，以可視化的方式展現(xiàn)給用戶，
并給出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施和報(bào)表。目前來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)將態(tài)勢(shì)
感知技術(shù)用于ICS 還是比較少，國(guó)外提出專門應(yīng)用于
ICS 的態(tài)勢(shì)感知參考架構(gòu)（SARA）[87]，美國(guó)信息能源部
幫助構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)入侵自動(dòng)響應(yīng)和策略管理系統(tǒng)（CAMPS），
實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)施態(tài)勢(shì)感知（Real-time Situational
Awareness）[88]。文獻(xiàn)[89]將態(tài)勢(shì)感知技術(shù)應(yīng)用于
輔助工控系統(tǒng)管理人員的決策制定與修正工控安全機(jī)
制，并詳細(xì)描述其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
5.1.8 審計(jì)技術(shù)
防火墻技術(shù)只能防御外來(lái)入侵，異常檢測(cè)只能檢測(cè)
內(nèi)部異?；蛘呖绶阑饓Φ墓簦酃藜夹g(shù)主要用于分析
研究外部威脅，以上防御技術(shù)都不能記錄追蹤內(nèi)部人員
的“誤操作”，以責(zé)任到戶（Audit and Accountability）。
文獻(xiàn)[90]設(shè)計(jì)一工控系統(tǒng)信息安全審計(jì)系統(tǒng)，該審計(jì)系
統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、內(nèi)容檢測(cè)模塊、異常行為判斷
模塊、行為處理模塊、審計(jì)響應(yīng)模塊等組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表明，該系統(tǒng)能夠?qū)CS 進(jìn)行全方位的安全審計(jì)，能夠
極大程度地提高ICS 的安全防護(hù)能力。
5.1.9 工控終端與傳感器安全
隨著兩化融合與智能制造的發(fā)展，分布式工控系統(tǒng)
得到廣泛應(yīng)用，其終端與傳感網(wǎng)絡(luò)需面對(duì)大量的安全威
脅，文獻(xiàn)[91-92]提出將PKI 技術(shù)應(yīng)用分布式工控終端，
基于SSL 協(xié)議，完成功課終端設(shè)備的安全改造，在工
控終端設(shè)備內(nèi)嵌入安全芯片，對(duì)工控終端設(shè)備的信息
驗(yàn)證、加密傳輸進(jìn)行了改造。文獻(xiàn)[93]設(shè)計(jì)智能跳棋
（Intelligent Checkers）傳感器，能夠在網(wǎng)絡(luò)中單向傳輸
數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控物理過(guò)程，在生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生故障時(shí)給管
理員報(bào)警。
5.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管理
工控風(fēng)險(xiǎn)指的是威脅源利用工控系統(tǒng)存在的脆弱
性給工控資產(chǎn)造成損失，破壞生產(chǎn)的可能性，工控的風(fēng)
險(xiǎn)涵括四個(gè)要素：資產(chǎn)、脆弱性、威脅，安全措施。資產(chǎn)
價(jià)值高增大風(fēng)險(xiǎn)，威脅源利用脆弱性是風(fēng)險(xiǎn)增大，安全
措施可以減少脆弱性達(dá)到規(guī)避或降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。
風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就是量化“可能性”，包括對(duì)資產(chǎn)、脆弱性、
威脅與安全措施的量化。風(fēng)險(xiǎn)管理即綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)的
四個(gè)要素，使這一可能性降低到可接受的閾值。風(fēng)險(xiǎn)量
化評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管理是ICS 信息安全研究的重要基礎(chǔ)。
國(guó)外起步早，已有經(jīng)典文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，例如NIST SP800-82、
IEC62443 等，有大量工控風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管理機(jī)構(gòu)，如ICS
RISK MANAGEMENT、Citicus ICS、ICS Risk Advisors，
提出攻擊分類法用于工控系統(tǒng)安全評(píng)估[94]，文獻(xiàn)[95]提
出分層的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略；國(guó)內(nèi)起步較晚，發(fā)布有《工業(yè)控
制網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范》[96]等，國(guó)內(nèi)工控風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管
理的企業(yè)機(jī)構(gòu)較少。
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)[6，8]總結(jié)了ICS 量化評(píng)估方法與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)
估方法，并提出了新的評(píng)估手段。
6 未來(lái)發(fā)展與總結(jié)建議
6.1 未來(lái)發(fā)展
如圖6 總結(jié)ICS 應(yīng)用領(lǐng)域與安全需求發(fā)展趨勢(shì)，工
控系將在智慧城市、智慧制造及工業(yè)4.0 等新興領(lǐng)域發(fā)
揮重要作用，并將全面開(kāi)放，與傳統(tǒng)IT 結(jié)合。由此，ICS
的安全問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)大，面臨的問(wèn)題既有工控系統(tǒng)原有
的安全問(wèn)題，同時(shí)將涵蓋IT 領(lǐng)域的安全問(wèn)題。未來(lái)深
度防御、防火墻、入侵檢測(cè)、強(qiáng)口令、漏洞掃描等防御技
術(shù)繼續(xù)發(fā)揮重要作用；Conpot 蜜罐技術(shù)、安全遠(yuǎn)程訪問(wèn)
策略、日志審計(jì)技術(shù)將在工控安全中進(jìn)一步發(fā)展；今后
伴隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)的推進(jìn)，擬態(tài)安全、云計(jì)算云安全技
術(shù)、可信計(jì)算技術(shù)與可信防御技術(shù)將成為工控安全領(lǐng)域
新的研究熱點(diǎn)[97-99]。雖然無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)際，工業(yè)控制
電力能源
智慧城市
離散制造智慧制造
半開(kāi)放全開(kāi)放
工業(yè)4.0
云制造
航天交通IT 結(jié)合
工廠
封閉
應(yīng)用
威脅無(wú)處不在
圖4 安全體系
構(gòu)建圖4 安全體系
惡意威脅源
擬態(tài)安全+云安全+
XX安全技術(shù)
防火防盜
自然災(zāi)害
安全操作
功能安全
信息安全
物理安全
功能安全
信息安全
物理安全
物理安全
安全
發(fā)展態(tài)勢(shì)
圖6 ICS 應(yīng)用與安全發(fā)展
14
2016，52（13）
系統(tǒng)安全問(wèn)題得到了來(lái)自政府部門、國(guó)家國(guó)防技術(shù)研究
機(jī)構(gòu)、工業(yè)企業(yè)與各類學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，且國(guó)
外構(gòu)建了基本的理論、技術(shù)與研究機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)也逐步發(fā)
展ICS 安全的研究，但其仍處于發(fā)展初期，還需要經(jīng)歷
較長(zhǎng)的時(shí)間去發(fā)展成熟[100-102]。目前，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CPNI、
ISA-99、IEC62443、NIST SP 800-82 與NERC CIP 等標(biāo)
準(zhǔn)框架下，各部分研究技術(shù)均有較明確的發(fā)展思路，同
時(shí)也面臨許多挑戰(zhàn)。除了研究以上標(biāo)準(zhǔn)提到的較好的
工控安全策略之外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和思考以下問(wèn)題：
（1）如何構(gòu)建我國(guó)安全的工控架構(gòu)，尤其是國(guó)家綠
色能源建設(shè)——水電、智能電網(wǎng)平臺(tái)。
（2）如何實(shí)現(xiàn)安全的終端技術(shù)，在保證實(shí)時(shí)性的要
求下完成數(shù)據(jù)的快速加密認(rèn)證，底層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、安
全化研究，保證傳感網(wǎng)絡(luò)的安全。
（3）將工控安全與工業(yè)大數(shù)據(jù)集合，構(gòu)建包括網(wǎng)絡(luò)
安全與機(jī)械自身安全的全面工控安全平臺(tái)，考慮如何實(shí)
現(xiàn)CPS 與PHM技術(shù)推廣到工業(yè)生產(chǎn)端，為儀器做好健
康監(jiān)控管理。
（4）考慮如何完善國(guó)家工控標(biāo)準(zhǔn)、人員管理方案，提
高涉工控所有人員的安全意識(shí)。
（5）研究虛擬仿真技術(shù)，用低成本研究工控安全，研
究虛擬蜜罐以及試驗(yàn)床仿真技術(shù)。
（6）將安全分布式管理，研究使用硬件完成安全功
能，如硬件加密技術(shù)等。
6.2 總結(jié)
震網(wǎng)“Stuxnet”事件之后，工控安全這一主題受到廣
泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外都取得一定的成果，本文總結(jié)分析了工
控系統(tǒng)的架構(gòu)資產(chǎn)、面臨的威脅、存在的脆弱性與安全
措施等內(nèi)容：
（1）架構(gòu)資產(chǎn)方面，國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)出于保密或
者歷史因素沒(méi)有嚴(yán)格制定資產(chǎn)清單，這給后期的安全
管理、補(bǔ)丁管理等埋下隱患。工控資產(chǎn)清單應(yīng)能為后
期安全管理作鋪墊，應(yīng)該包括軟件資產(chǎn)清單（Software
Inventory）、硬件資產(chǎn)清單（Hardware Inventory）、設(shè)備
清單（Device Inventory），網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、安全狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)
境等內(nèi)容。
（2）面臨威脅方面，工控系統(tǒng)面臨的威脅有很多，包
括無(wú)意識(shí)威脅與惡意威脅。無(wú)意識(shí)威脅指的是自然災(zāi)
害與儀器自身老化等問(wèn)題；惡意威脅造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超
過(guò)無(wú)意識(shí)威脅，指一切以破壞工控正常生產(chǎn)為目的行
為，有來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的，也有來(lái)自內(nèi)部人員的。應(yīng)用工控蜜
罐技術(shù)、Conpot 能夠記錄分析主動(dòng)攻擊工控系統(tǒng)的威脅
源，為進(jìn)一步的防御動(dòng)作做好準(zhǔn)備。
（3）脆弱性方面，工控系統(tǒng)存在脆弱性亦可指其漏
洞，包括平臺(tái)漏洞、協(xié)議漏洞管理漏洞等。平臺(tái)漏洞可
以使用漏洞掃描系統(tǒng)結(jié)合漏洞庫(kù)找出；協(xié)議漏洞需要不
斷分析記錄方能找出；至于管理漏洞則需要不斷吸取國(guó)
內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)缺少相應(yīng)的安全管理標(biāo)準(zhǔn)和參考文獻(xiàn)，
國(guó)外則已有很多成文的管理?xiàng)l例。
（4）安全措施方面，工控系統(tǒng)面臨的威脅源不明確，
存在的漏洞多且有的處于未知狀態(tài)，安全措施應(yīng)能應(yīng)對(duì)
外來(lái)攻擊，檢測(cè)內(nèi)部異常，及時(shí)修復(fù)系統(tǒng)、使工控系統(tǒng)恢
復(fù)正常功能，能夠追蹤記錄事件源，責(zé)任到人。
結(jié)合工信部451 號(hào)文件，提出如下建議：工控安全
不僅僅是單純的技術(shù)安全，而是一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)安全，包
括相關(guān)的體制革新，管理流程優(yōu)化，人員意識(shí)培養(yǎng)，技術(shù)
創(chuàng)新，需要國(guó)家、企業(yè)、工程師、信息安全專家等的參
與。結(jié)合工控的體系架構(gòu)以及工控發(fā)展趨勢(shì)，提出如下
建議：
（1）管理層面。完善管理體制，對(duì)過(guò)時(shí)的安全體制
進(jìn)行革新；國(guó)家給予足夠重視，建立統(tǒng)一的工控安全領(lǐng)
導(dǎo)機(jī)構(gòu)，完善相應(yīng)的管理、操作、技術(shù)規(guī)范制度，完善應(yīng)
急預(yù)案。
（2）技術(shù)層面。構(gòu)建仿免疫學(xué)的四層防御體系，構(gòu)
建“邊界”，隔絕外部入侵，使用工控防火墻、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)隔
離技術(shù)等深度防御措施；檢測(cè)內(nèi)部異常，使用異常檢測(cè)
技術(shù)、漏洞掃描技術(shù)、強(qiáng)口令登錄；完善自我修復(fù)功能，
采用日志審計(jì)技術(shù)、事件響應(yīng)技術(shù)、入侵防御技術(shù)等；主
動(dòng)出擊，智能維護(hù)，使用工控蜜罐技術(shù)主動(dòng)出擊，態(tài)勢(shì)感
知決策安全措施。加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，與新興的擬態(tài)安全、
云安全等技術(shù)相結(jié)合。
（3）企業(yè)機(jī)構(gòu)層面。加強(qiáng)員工安全意識(shí)培訓(xùn)，企業(yè)
高管關(guān)注安全問(wèn)題。
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