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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 文檔來源： 1.中國科學院大學沈陽計算技術研究所2.中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月12日
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Computer Engineering and 2016，52（13） Applications計算機工程與應用
1 引言
工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）是指用于操作、控制、輔助自動
化工業(yè)生產(chǎn)過程的設備、系統(tǒng)、網(wǎng)絡以及控制器的集合[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、人機交互
接口（HMI）等系統(tǒng)[2]。被廣泛應用在工業(yè)控制領域，包
括化工化學、制藥、食品/飲料、水電能源、石油、天然氣、
離散制造、自動化生產(chǎn)、交通、航空航天等，在國家基礎
設施中扮演著至關重要的角色，是關乎國計民生的重要
資源。
隨著計算機和網(wǎng)絡技術的發(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
越多地采用通用協(xié)議、通用硬件和通用軟件。網(wǎng)絡化浪
潮又將諸如嵌入式技術、多標準工業(yè)控制網(wǎng)絡互聯(lián)、無
線技術等新興技術融合進來，從而拓展了工業(yè)控制的發(fā)
展空間，帶來新的發(fā)展機遇；同時也帶來了工業(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.中國科學院大學沈陽計算技術研究所，沈陽110168
2.中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司，沈陽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）作為國家基礎設施的核心控制設備，其安全關系國計民生。震網(wǎng)（Stuxnet）病毒爆發(fā)以
后，工控安全逐漸引起國家、企業(yè)、戰(zhàn)略安全人士的高度重視?？偨Y分析了工控系統(tǒng)的結構資產(chǎn)、脆弱性、存在的威
脅、安全措施與風險評估等內容；提出了四層功能的仿免疫系統(tǒng)的安全管理模型，并重點分析其中的關鍵防御技術，
例如深度防御、防火墻、異常檢查、Conpot（Control Systems Honeypot）、安全遠程訪問以及管理策略；指出工控系統(tǒng)
安全將會是智慧城市、智慧制造與工業(yè)4.0 等新興技術的發(fā)展契機與最大挑戰(zhàn)；最后結合國內工控安全布局規(guī)劃，給
出工控安全建議，并展望未來的發(fā)展前景。
關鍵詞：工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）；Conpot 系統(tǒng)；安全；深度防御
文獻標志碼：A 中圖分類號：TP39 doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1602-0207
基金項目：沈陽市2014 年科技計劃項目（No.F14-056-7-00）；“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項（No.2013ZX04007031）。
作者簡介：陶耀東（1981—），男，博士，副研究員，碩士生導師，研究方向為計算機應用、數(shù)控技術，E-mail：taoyd@sict.ac.cn；李寧
（1991—），男，碩士研究生，研究方向為計算機技術、嵌入式技術；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：1002-8331（2016）13-0008-11
8
2016，52（13）
統(tǒng)的信息安全等問題[3]。作為國家戰(zhàn)略組成，工控系統(tǒng)
安全關系國家戰(zhàn)略安全。如圖1（a）和（b）（根據(jù)RISI 數(shù)
據(jù)庫，采用SPSS 統(tǒng)計（1982 至2015 年1 月））發(fā)生在工控
領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%的離心機報廢，3 萬臺終端感染，相繼在
很多國家工控設備中發(fā)現(xiàn)震網(wǎng)病毒。
美國、歐盟工控安全研究起步早，取得較大成果。
尤其是美國，起步早，研究內容全面，發(fā)布的標準文獻、
指導性文獻大都出現(xiàn)第三代更新版；國土安全部成立
ICS-CERT（工控安全應急小組），建設有包括愛達荷國
家實驗室、桑迪亞國家實驗室、太平洋西北國家實驗室
等六家工業(yè)控制系統(tǒng)安全研究重點實驗室，NIST 制定
標準NIST SP800-82、NIST800-53 等，且在不斷地更新
標準以適用新的安全局勢。歐盟網(wǎng)絡與信息安全局制
定?？侗Ｗo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]；國際電工委員會（IEC）制定標準
IEC62443，用以指導ICS 安全建設。
我國工控安全研究起步晚，呈現(xiàn)出點狀發(fā)展，底子
薄弱的特點。點狀發(fā)展表現(xiàn)為，研究機構企業(yè)分散，
2014 年雖有很多企業(yè)和機構開始專門研究ICS 安全，但
都是孤軍奮戰(zhàn)；底子薄弱表現(xiàn)為，核心設備全靠進口，工
控安全研究起步晚，大部分靠參考國外的標準，如文獻[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
都沒有形成權威性的機構，還不能與國際頂尖的研究團
隊比肩。
本文從工控系統(tǒng)的結構資產(chǎn)、脆弱性、存在的威脅、
安全措施與風險評估等五個方面介紹國內外工控安全
研究的進展，并重點就其中的深度防御、防火墻、異常檢
測、Conpot、安全遠程訪問與管理策略等進行評述，最后
結合國內工控安全布局規(guī)劃，對工控安全提出建議，并
展望未來的發(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
能保證你沒看見的東西處于安全狀態(tài)。工業(yè)控制系統(tǒng)
邏輯范圍廣，應用軟件多，涉及硬件復雜，生產(chǎn)設備與
生產(chǎn)環(huán)境多樣，一旦遭到破壞，可能對物理世界造成
直接的巨大傷害，研究其架構和所涉資產(chǎn)（ICS Asset
Inventory），對工控安全的研究具有重要意義。無論是
ICS-CERT 還是國內的工控安全企業(yè)，都提出精確的工
控設備清單是工控安全的基礎。設備清單用于登記工
控系統(tǒng)中的資產(chǎn)及其所處的安全狀態(tài)。文獻[6]指出工
業(yè)控制系統(tǒng)包括“硬件資源”、“軟件資源”、“存儲其中的
數(shù)據(jù)資源”以及“與工控系統(tǒng)相連的生產(chǎn)設備”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)場總線，主機、路由、網(wǎng)關
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)應用軟件、辦公軟件、殺毒軟件等，總結如圖2。
標準IEC62443 對工控系統(tǒng)信息安全的定義：“保護
系統(tǒng)所采取的措施；由建立和維護保護系統(tǒng)的措施所得
到的系統(tǒng)狀態(tài)；能夠免于對系統(tǒng)資源的非授權訪問和非
授權或意外的變更、破壞或者損失；基于計算機系統(tǒng)的
能力，能夠保證非授權人員和系統(tǒng)既無法修改軟件及其
數(shù)據(jù)，也無法訪問系統(tǒng)功能，確保授權人員和系統(tǒng)不被
1982
1985
1988
1989
1991
1992
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
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
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
高級工程師辦公PC 辦公PC
智能終端
防火墻
Internet
移動設備
企業(yè)網(wǎng)絡
工作站辦公外設
SCADA
服務器服務器數(shù)據(jù)庫
設備總線
RTU PLC HMI
現(xiàn)場
人員生產(chǎn)環(huán)境執(zhí)行設備傳感器生產(chǎn)設備
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計算機工程與應用
阻止；防止對工業(yè)控制系統(tǒng)的非法或有害入侵，或者干
擾其正確和計劃的操作?！笨偨Y為物理安全、功能安全以
及信息安全，強調不同于傳統(tǒng)IT 安全的需求，首先保證
整個系統(tǒng)的可用性和可靠性，其次才是保證控制平臺的
可靠性與存儲其中數(shù)據(jù)的機密性。
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、臺風、洪澇、
火災等。第二，內部無意威脅：操作失誤、軟件故障、硬
件故障老化、網(wǎng)絡過載、隱藏信道（Covert Channels）。
第三，內部有意威脅：蓄意破壞、非授權篡改、非授權使
用、竊取竊聽內部重要信息。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，第三方人員在對系統(tǒng)進行維護時，可能會未
授權對系統(tǒng)進行更改或安裝非法軟件。
卡巴斯基實驗室與文獻[10]強調以工控系統(tǒng)為目
標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，分為“無意識威脅”與“惡意威脅”?！盁o意識威
脅”指不以工控系統(tǒng)為攻擊目標的威脅源，如自然災害、
意外事故和機械儀器老化等。
威脅源層次圖如圖3 所示。
ICS-CERT、陳星、賈卓生[11]與文獻[12]統(tǒng)計具有主
觀惡意威脅如下：蠅蛆網(wǎng)絡（Bot-network）運行者、犯罪
團伙（Criminal groups）、恐怖分子、黑客（Hackers）、國外
的智能服務（Foreign intelligence services）、內部人員
（Insiders）、釣魚客（Phishers）與Spammers、競爭對手產(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；完整性攻擊，如SQL 注入攻擊、修改關鍵數(shù)據(jù)；機
密性攻擊，如未授權獲取數(shù)據(jù)等。針對工控系統(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[14]。
具體的攻擊表現(xiàn)形式：重放攻擊、中間人攻擊、遠程
修改RTU邏輯、DoS攻擊、零日漏洞攻擊、APT（Advanced
Persistent Threat）高級持續(xù)性威脅、掛馬、漏洞攻擊、惡
意軟件攻擊、網(wǎng)絡釣魚、間諜軟件、SPAM、SQL 注入攻
擊、端口掃描、脆弱性掃描、信息泄露、社會工程學攻擊等。
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，而對于特定的工控領域，也存在其典型的危
險。文獻[15-22]總結智能電網(wǎng)安全運行面臨的威脅包
括三個層面：第一是設備安全威脅，包括智能電網(wǎng)的智
能終端，WSN 的無線傳感器被惡意盜竊和篡改信息或
者自然災害侵蝕與老化，終端被安裝“邏輯炸彈”，這將
嚴重影響智能電網(wǎng)的正常運行；第二是網(wǎng)絡安全威脅，
針對智能電網(wǎng)的常見網(wǎng)絡攻擊包括Sinkhole 攻擊、選擇
性轉發(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)點之間的信息傳輸和
交換，導致電網(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，往往
引起長時間的管理混亂，不利于智能電網(wǎng)的健康運行。
威脅源攻擊系統(tǒng)的一般步驟為：信息收集、網(wǎng)絡掃
描、賬戶破解、實施攻擊。
4 分析工控系統(tǒng)存在的脆弱性
脆弱性：指計算機系統(tǒng)在硬件、軟件、協(xié)議的具體實
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[23-26]統(tǒng)計ICS 中存在的脆弱性，總結如下：
（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”，而是一個全面開放的系統(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；遠程訪問缺乏合適的訪問控制策略；對核
心支持設備管理、設計和實現(xiàn)不恰當。
（2）工控平臺、終端的脆弱性
現(xiàn)代工控系統(tǒng)大量使用PC 機，而工控PC 機通常用
于控制不間斷生產(chǎn)，在運行期間不允許停機檢修更新軟
件，同時工控PC 需要大量軟件。這些導致工控PC 終端
更新緩慢，引入漏洞長久得不到修復。例如，控制系統(tǒng)
中使用的系統(tǒng)管理機制和軟件都沒有充分審查或維持，
不安全的無線通信用于控制；工具應用不足，不能檢查
和報告異常；將未授權和不適當?shù)膽密浖蛴布O備
接入控制系統(tǒng)網(wǎng)絡。
供電不足
電磁干擾
靜電
雷電
恐怖分子
Terrorist 蠅蛆網(wǎng)絡
（Bot-network）
運行者
產(chǎn)業(yè)間諜
（Industrial
espionage）
釣魚客（Phishers）
與Spammers
犯罪團伙
（Criminal groups）
國外的智能服務
（Foreign intelligence
services）
內部人員（Insiders） 黑客（Hackers）
火災、粉塵
惡劣的溫度
濕度條件
地震、臺風、
洪澇
ICS
圖3 威脅源層次圖
10
2016，52（13）
（3）工控網(wǎng)絡的脆弱性
工控網(wǎng)絡包括兩部分：其一是與外部連接的網(wǎng)絡，
仍然是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，使用TCP/IP 協(xié)議；另一部分
是內部的總線網(wǎng)絡，使用工控網(wǎng)絡的專有協(xié)議。這二者
的設計之初都沒有考慮安全需求，僅為完成傳輸功能設
計。網(wǎng)絡的脆弱性來自三個方面，協(xié)議只為完成可用設
計；軟件存在漏洞，配置不合理；網(wǎng)絡邊界不明確；非專
用通信通道用于傳輸控制信號或者在控制信號專用通
道上傳輸其他信號。
以上文獻總結的脆弱性具體表現(xiàn)在：不恰當?shù)妮斎?
驗證，許可、授權與訪問控制不嚴格，不恰當?shù)纳矸蒡?
證，驗證數(shù)據(jù)真實性不足，差的代碼質量指標，ICS 軟件
配置維護不足，憑證管理不嚴，使用的加密算法已過時，
網(wǎng)絡設計孱弱，審計問責制度羸弱等。
ICS 的脆弱性并不是單一存在的，往往是政策、平
臺終端、網(wǎng)絡脆弱性并存的，以分布式控制系統(tǒng)（DCS）
中的工業(yè)無線傳感器（Industrial Wireless Sensor Networks，
IWSNs）為例，文獻[27-34]總結無線傳感網(wǎng)絡主
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)最基礎構成；平臺終端脆弱性：傳感器的工作環(huán)境惡
劣伴隨有強烈震動、高溫高壓、腐蝕性有毒氣體等，處于
無人維護，不可控環(huán)境中，還有新出現(xiàn)的硬件木馬
（Hardware Trojans，HWTs）；網(wǎng)絡脆弱性：在通信上存在
噪聲、多信道干擾、能量衰減、信息容量下降等問題，另
外工業(yè)控制信號都是實時信號，無線傳輸存在時延問
題，采用高級加密與認證技術不合適，導致其易被惡意
盜竊和篡改信息，因無線連接，任何在傳輸范圍內的設
備都可輕易接入網(wǎng)絡，易被竊聽，非法篡改數(shù)據(jù)，針對
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：新興的無線網(wǎng)絡
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)絡安全，而工控系統(tǒng)安全同
時包含網(wǎng)絡安全與底層物理環(huán)境的安全。工控系統(tǒng)直
接與生產(chǎn)環(huán)境、真實物理世界相連，是傳統(tǒng)IT 嵌入關
鍵基礎設施，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
對現(xiàn)實的工程環(huán)境造成巨大傷害，所造成的損失遠遠大
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，對于“無意識威脅”，構造防風、防水、防火避雷等物
理環(huán)境與報警系統(tǒng)，以避免自然災害；對于儀器老化等
自身問題，采用PHM技術，監(jiān)督預測管理設備的生命狀
態(tài)[39]。對于惡意威脅源則需要用到多種安全技術。
當前最常用的安全技術是入侵檢測、漏洞掃描與縱
深防御技術。漏洞掃描技術對零日漏洞攻擊無能為力；
縱深防御防火墻只能防御來自外部的攻擊，對跨防火墻
的行為無能為力，也不能防御內部的攻擊；入侵檢測只
能單純的檢測異常行為，不能提高工控系統(tǒng)的“恢復
能力”[40-45]。
基于現(xiàn)存單一安全技術的不足，提出完善的工控安
全防御模型。完善的工控系統(tǒng)安全防御模型應具備四
個層次功能：（1）阻擋外部入侵；（2）檢測內部異常；（3）
快速恢復功能正常、穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境；（4）智能化的實現(xiàn)
以上三個防御過程。
結合國際行業(yè)標準ANSI/ISA-99、IEC62443，標準
NIST SP 800-82 參考文獻[46]，總結構建如圖4 的ICS
防御體系。下面依據(jù)該防御體系，總結國內外各類安全
措施的發(fā)展狀況與實現(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)大多將安全問題交給安全技術專家處理，而忽
略自身管理上的漏洞。企業(yè)高管擁有高權限，一旦被攻
擊，造成的損失遠大于普通員工。企業(yè)高管應當也是安
全管理的高管。
（2）實現(xiàn)員工安全培訓程序
文獻[46，51-53]中指出社會工程學攻擊、釣魚攻擊，
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意泄露的敏感信息，員工缺乏安全
意識是安全的一大漏洞。
（3）建立基于角色的訪問控制機制
工控系統(tǒng)中的工作人員有高級工程師、工程師、管
理人員、現(xiàn)場操作員等，從網(wǎng)絡結構考慮，分為企業(yè)網(wǎng)絡
區(qū)、控制網(wǎng)絡區(qū)、外部網(wǎng)絡等。不同的分工應當賦予不
同的權限，讓現(xiàn)場操作員可以訪問高級工程師的數(shù)據(jù)庫
顯然是不合適的。文獻[54]提出將嚴格的基于角色的
訪問控制機制與網(wǎng)絡分區(qū)、審計技術、白名單策略結合，
可以達到很好的防護效果。
資產(chǎn)清單/安全狀態(tài)圖
VPN安全遠程訪問
日志審計技術
高管、員工安全意識培訓
態(tài)勢感知（SARA）
異常
檢測
入侵
防御
工控蜜罐
Conpot
事件響應
計劃
網(wǎng)
絡
分
區(qū)
/
縱
深
防
御
強口令管理
訪問控制
防
火
墻
/
白
名
單
ICS
安
全
防
御
體
系
外界網(wǎng)絡
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計算機工程與應用
國外政策管理非常完善，上面描述的安全策略都已
經(jīng)實現(xiàn)，且有相應文件公布。國內則處在起步階段，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
制作設備清單，保證任何一件設備都處在安全的狀
態(tài)。理解并且登記在企業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境中的工控系統(tǒng)設備
及其安全狀態(tài)，是工控安全管理的基礎。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)絡拓撲
圖等。
（2）知彼——主動防御
蜜罐通過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)最常見的Modbus 協(xié)議運行在
公網(wǎng)的情況，記錄掃描攻擊該系統(tǒng)過程以及相應IP，用
以研究工控系統(tǒng)的防御。文獻[1]使用工控蜜罐網(wǎng)絡研
究工控系統(tǒng)的威脅源與攻擊過程。Conpot[55]在GitHub
發(fā)布開源工控蜜罐系統(tǒng)Conpot，該系統(tǒng)是工業(yè)控制系統(tǒng)
服務器端的低交互的蜜罐技術，設計易于布置、修改和
擴展，通過提供各種通用的工業(yè)控制協(xié)議，可以構建需
要的系統(tǒng)，能夠模擬構建基礎設施，以假亂真，使不安好
心的人成功發(fā)現(xiàn)一個巨大的工控系統(tǒng)。趨勢科技在美
國一小鎮(zhèn)上建立一個模擬各種ICS/SCADA 的蜜罐設
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 小時后被攻擊。文獻[56]提出移
動蜜罐，該蜜罐可以布置在網(wǎng)絡系統(tǒng)中的任何位置，將
當前網(wǎng)絡的狀態(tài)提供給工控安全管理員。
國內，文獻[57]提出采用經(jīng)典的化工反應模型田納
西- 伊斯曼過程，結合著名的蜜罐軟件Honeyd，依托
Matlab/Simulink 的強大運算、仿真能力，將田納西-伊斯
曼過程實時仿真的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡通信的方式傳送
給Honeyd 模擬蜜罐設備，并通過Python 腳本語言調用
的方式實現(xiàn)設備的多種行為響應和真實調控生產(chǎn)過程，
檢出新型過程控制蜜罐系統(tǒng)；文獻[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)絡環(huán)境下對蜜罐進
行部署和測試分析，實驗結果證明，嵌入式蜜罐對嵌入
式網(wǎng)絡安全起到保護作用。
國外將蜜罐技術用于研究工控系統(tǒng)的威脅源、攻擊
途徑以及探索防御手段，技術應用成熟，取得了很多成
功；國內應用蜜罐技術與ICS 安全尚處一個探索的階
段，雖然發(fā)表了不少研究論文，但沒有可供市場使用的
產(chǎn)品出現(xiàn)。
5.1.3 網(wǎng)絡分區(qū)管理，區(qū)域間布置防火墻
如圖5 參考NIST SP 800-82、IEC62443 等國際工
控領域指導性文獻深度防御（Defense-in-Depth）架構，
將ICS 劃分為外部區(qū)域集合、控制網(wǎng)絡區(qū)、企業(yè)網(wǎng)絡區(qū)、
遠程訪問區(qū)與生產(chǎn)現(xiàn)場。從分區(qū)以及防火墻的設置，總
結防火墻的防御功能：保護整個的內部系統(tǒng)免受外部的
攻擊，隔離企業(yè)網(wǎng)絡與遠程訪問區(qū)，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡與其
他網(wǎng)絡隔離，生產(chǎn)區(qū)與控制網(wǎng)絡隔離。文獻[2]詳細介
紹了網(wǎng)絡分區(qū)與應用防火墻保護工控系統(tǒng)的改進過程，
控制網(wǎng)絡區(qū)
現(xiàn)場總線
異常檢測
應用服務器
數(shù)據(jù)庫服務器
配置服務器
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡
歷史數(shù)據(jù)
HMI 計算機
工程工作站
PLC
SCADA
RTU
HMI
控制器
遠程訪問區(qū)
異常檢測
外部商務服務器
WWW服務器
歷史數(shù)據(jù)服務器
安全服務器
認證服務器
非軍事區(qū)集合
企業(yè)網(wǎng)絡區(qū)
商務服務器
企業(yè)網(wǎng)絡
商務工作站
網(wǎng)絡應用
服務器
代理服務器FTP 服務器網(wǎng)絡服務器
異常檢測
非軍事區(qū)集合
電子郵件服務器域名解析服務器
企業(yè)防火墻
VPN防火墻
光纖信號
以太網(wǎng)
遠程訪問
其他網(wǎng)絡訪問
合作方、贊助商
無線發(fā)射
外部網(wǎng)絡接入
集合
圖5 ICS 深度防御架構
12
2016，52（13）
第一階段雙宿主機防火墻；第二階段在企業(yè)網(wǎng)絡和控制
網(wǎng)絡之間構建防火墻；第三階段添加路由的企業(yè)與控制
網(wǎng)絡間的防火墻策略；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[59]針對網(wǎng)
絡布局變化引起網(wǎng)絡分區(qū)與隔離變化提出基于行為感
知的動態(tài)分區(qū)技術；文獻[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。針對我國ICS 特殊
性，防火墻應為國內自主研發(fā)的專用工控防火墻，目前
國內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。國外，如
加拿大多芬諾公司防火墻，美國的ConneXium等雖然比
國內的成熟，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[62-63]總結了石化工控
中白名單策略，應用白名單列表（application whitelisting），
完成LOGIIC（Linking the Oil and Gas Industry to
Improve Cybersecurity）過程。
5.1.4 安全的遠程訪問方法
現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)對開放性提出新的需求，需要能
夠完成遠程訪問功能。安全的遠程訪問是工控系統(tǒng)開
放的基礎，涉及兩個方面，其一制定遠程移動設備管理
策略，文獻[51]指出平板電腦、移動數(shù)據(jù)處理器、智能手
機、筆記本等移動設備在工控系統(tǒng)的大量使用給工控安
全帶來新的挑戰(zhàn)。文獻[64-66]提出移動設備管理策略
應該至少要求遠程訪問人員不得在公共網(wǎng)絡、私人
WiFi、其他單位局域網(wǎng)中登錄，使用安全的網(wǎng)絡登錄，例
如VPN 登錄，登錄需要使用強口令，并且口令、文件應
加密傳輸。
其二要求遠程訪問過程安全，使用戶像在專用網(wǎng)絡
訪問一樣，VPN技術無疑可做到。文獻[67]詳細介紹遠
程訪問實現(xiàn)過程，是美國國土安全部發(fā)布的工業(yè)控制系
統(tǒng)遠程訪問的指導性文獻；文獻[68]提出將VPN技術應
用于企業(yè)之間的遠程服務，并詳細介紹VPN 所涉及的
相關技術；劉鋒光[69]設計實現(xiàn)基于VPN技術的水電站遠
程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用，但是他對安全考慮較少，僅
僅是完成了功能；黃昱澤[70]設計一種使用于工業(yè)控制網(wǎng)
絡的網(wǎng)關，該網(wǎng)關放置于工業(yè)控制網(wǎng)絡中后，無需對工
控設備做任何改造或配置，便可完成數(shù)據(jù)包的轉發(fā)工
作。該網(wǎng)關不依賴任何硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，適用于各
種SCADA系統(tǒng)，具有較強的適用性，但該設計仍然缺乏
安全考慮，僅僅是功能實現(xiàn)。
5.1.5 漏洞管理
威脅源利用漏洞對工控系統(tǒng)展開攻擊，如零日漏洞
攻擊。科學的檢測工控系統(tǒng)漏洞，并合理更新補丁是工
控防御的重要組成。CNVD、CVE、ICS-CERT、中國國
家漏洞率、中國國家信息安全漏洞共享平臺等權威機構
統(tǒng)計出現(xiàn)在工控系統(tǒng)的漏洞，可作為漏洞掃描的參考。
漏洞掃描技術是指利用掃描等手段檢測目標主機或網(wǎng)
絡的安全脆弱性，并發(fā)現(xiàn)可利用漏洞的一種安全檢測技
術也是一種主動防御技術。目前國內比較成熟的產(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)。國外成熟的工控掃描
系統(tǒng)比較多，如PLCScan、面向硬件的模糊測試模塊
ICCP、Mu 測試模塊等，挪威科技大學終端設備固件分
析方法PLC 方法等?？紤]我國工信部451 號通知以及
核心設備國產(chǎn)化的戰(zhàn)略，不建議使用國外的掃描系統(tǒng)。
國內，于長奇[71]提出基于改進模糊器的工控系統(tǒng)漏
洞掃描器，在測試階段成功找出零日漏洞；王歡歡[72]提
出一種層次探測的漏洞掃描方法，通過測試西門子工控
系統(tǒng)，證明該系統(tǒng)的有效性；沈偉峰[73]提出了一種基于
木馬體系結構的網(wǎng)絡漏洞掃描模型，設計并實現(xiàn)了基于
木馬體系結的面向攻擊的網(wǎng)絡漏洞掃描系統(tǒng)。
補丁是用于修復漏洞的，對于傳統(tǒng)IT 中的補丁及
時更新，但在工控系統(tǒng)中補丁管理情況復雜，工控系統(tǒng)
是實時連續(xù)運行的系統(tǒng)，更新補丁需要科學的管理，以
減小損失。文獻[74]總結了企業(yè)內部更新補丁、軟件的
指導性文章；文獻[2，75]強調補丁管理是一個系統(tǒng)的過
程，需要設置專門的補丁管理人員，并且有軟件清單、硬
件清單、網(wǎng)絡拓撲結構圖，熟悉生產(chǎn)的每一個過程，能夠
選擇最佳補丁更新策略。工信部451 號文件要求密切
關注產(chǎn)品漏洞和補丁發(fā)布，嚴格軟件升級、補丁安裝管
理，嚴防病毒、木馬等惡意代碼侵入。關鍵工業(yè)控制系
統(tǒng)軟件升級、補丁安裝前要請專業(yè)技術機構進行安全評
估和驗證，以免破壞其功能安全性。熊琦等人總結比較
現(xiàn)有各種Fuzzing 測試技術應用于工控網(wǎng)絡協(xié)議的優(yōu)
缺點，提出工控網(wǎng)絡協(xié)議的專用Fuzzing 測試工具的設
計準則[76]。
5.1.6 異常檢測與事件響應計劃
異常檢查是對防火墻的補充，可檢查內部攻擊、異
常，可檢測跨防火墻攻擊。異常檢查包括入侵檢測、病
毒查殺、異常代碼檢測等。冶金自動化研究設計院趙華[77]
對ICS 信息安全現(xiàn)狀和入侵檢測系統(tǒng)進行了歸納總結，
并對異常檢測技術及算法進行了概括介紹，提出一種基
于被控對象模型的非參數(shù)CUSUM異常檢測方法。黃勇[78]
對ICS 的發(fā)展概況和信息安全現(xiàn)狀進行了深入分析，著
重研究開源異常檢測系統(tǒng)Snort 及其規(guī)則，總結和設計
一套基于“工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議——MODBUS 協(xié)議”的
Snort 規(guī)則；針對ICS 下位機的控制數(shù)據(jù)、通信協(xié)議、高實
時性等特點，結合聚類的相關算法，提出一種基于自適
應聚類的離群點挖掘算法（Adaptive Clustering-Based
Outlier Detection）。浙江大學羅耀鋒[79]分析面向ICS 系
統(tǒng)的入侵檢測的基本問題，設計基于多分類SVM的入
侵檢測方法，其根據(jù)ICS 過程監(jiān)控層的網(wǎng)絡特性和入侵
特點而設計，適用于ICS 過程監(jiān)控層的入侵檢測，設計
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計算機工程與應用
了基于協(xié)議分析和通信模型的入侵檢測方法。北京工
業(yè)大學高春梅[80]提出一種基于ARIMA模型的工業(yè)控制
網(wǎng)絡流量建模方法，用于建立正常的工業(yè)網(wǎng)絡流量模
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)級行為特征來作為ICS 場景指紋，并將該指紋用于
異常檢查[81]。文獻[82]提出基于Conpot 的遠程數(shù)據(jù)入
侵檢測技術（Telemetry Analysis Intrusion Detection
Systems），可適用于各類的工控協(xié)議。
工控設施受到攻擊是不可避免事件，優(yōu)秀的安全策
略其中一個重要指標是能在盡可能短的時間內檢測到
入侵事件，做出響應動作，使系統(tǒng)回復正常的生產(chǎn)過
程。文獻[83-85]指出應急響應包括對入侵事件分類，針
對不同類型的入侵事件執(zhí)行不同的響應動作，最后采取
恢復系統(tǒng)的動作；文獻[86]設計面向網(wǎng)絡的故障維修事
件響應策略，進一步優(yōu)化響應時間。
5.1.7 態(tài)勢感知
態(tài)勢感知指綜合分析ICS 安全要素，評估ICS 的安
全狀況，預測其變化趨勢，以可視化的方式展現(xiàn)給用戶，
并給出相應的應對措施和報表。目前來說國內將態(tài)勢
感知技術用于ICS 還是比較少，國外提出專門應用于
ICS 的態(tài)勢感知參考架構（SARA）[87]，美國信息能源部
幫助構建網(wǎng)絡入侵自動響應和策略管理系統(tǒng)（CAMPS），
實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的實施態(tài)勢感知（Real-time Situational
Awareness）[88]。文獻[89]將態(tài)勢感知技術應用于
輔助工控系統(tǒng)管理人員的決策制定與修正工控安全機
制，并詳細描述其實現(xiàn)過程。
5.1.8 審計技術
防火墻技術只能防御外來入侵，異常檢測只能檢測
內部異?；蛘呖绶阑饓Φ墓?，蜜罐技術主要用于分析
研究外部威脅，以上防御技術都不能記錄追蹤內部人員
的“誤操作”，以責任到戶（Audit and Accountability）。
文獻[90]設計一工控系統(tǒng)信息安全審計系統(tǒng)，該審計系
統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、內容檢測模塊、異常行為判斷
模塊、行為處理模塊、審計響應模塊等組成。實驗結果
表明，該系統(tǒng)能夠對ICS 進行全方位的安全審計，能夠
極大程度地提高ICS 的安全防護能力。
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)
得到廣泛應用，其終端與傳感網(wǎng)絡需面對大量的安全威
脅，文獻[91-92]提出將PKI 技術應用分布式工控終端，
基于SSL 協(xié)議，完成功課終端設備的安全改造，在工
控終端設備內嵌入安全芯片，對工控終端設備的信息
驗證、加密傳輸進行了改造。文獻[93]設計智能跳棋
（Intelligent Checkers）傳感器，能夠在網(wǎng)絡中單向傳輸
數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控物理過程，在生產(chǎn)過程發(fā)生故障時給管
理員報警。
5.2 風險評估與風險管理
工控風險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
險涵括四個要素：資產(chǎn)、脆弱性、威脅，安全措施。資產(chǎn)
價值高增大風險，威脅源利用脆弱性是風險增大，安全
措施可以減少脆弱性達到規(guī)避或降低風險的目的。
風險評估就是量化“可能性”，包括對資產(chǎn)、脆弱性、
威脅與安全措施的量化。風險管理即綜合考慮風險的
四個要素，使這一可能性降低到可接受的閾值。風險量
化評估與風險管理是ICS 信息安全研究的重要基礎。
國外起步早，已有經(jīng)典文獻標準，例如NIST SP800-82、
IEC62443 等，有大量工控風險評估、管理機構，如ICS
RISK MANAGEMENT、Citicus ICS、ICS Risk Advisors，
提出攻擊分類法用于工控系統(tǒng)安全評估[94]，文獻[95]提
出分層的風險評估策略；國內起步較晚，發(fā)布有《工業(yè)控
制網(wǎng)絡安全風險評估規(guī)范》[96]等，國內工控風險評估、管
理的企業(yè)機構較少。
國內文獻[6，8]總結了ICS 量化評估方法與風險評
估方法，并提出了新的評估手段。
6 未來發(fā)展與總結建議
6.1 未來發(fā)展
如圖6 總結ICS 應用領域與安全需求發(fā)展趨勢，工
控系將在智慧城市、智慧制造及工業(yè)4.0 等新興領域發(fā)
揮重要作用，并將全面開放，與傳統(tǒng)IT 結合。由此，ICS
的安全問題進一步擴大，面臨的問題既有工控系統(tǒng)原有
的安全問題，同時將涵蓋IT 領域的安全問題。未來深
度防御、防火墻、入侵檢測、強口令、漏洞掃描等防御技
術繼續(xù)發(fā)揮重要作用；Conpot 蜜罐技術、安全遠程訪問
策略、日志審計技術將在工控安全中進一步發(fā)展；今后
伴隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)的推進，擬態(tài)安全、云計算云安全技
術、可信計算技術與可信防御技術將成為工控安全領域
新的研究熱點[97-99]。雖然無論國內還是國際，工業(yè)控制
電力能源
智慧城市
離散制造智慧制造
半開放全開放
工業(yè)4.0
云制造
航天交通IT 結合
工廠
封閉
應用
威脅無處不在
圖4 安全體系
構建圖4 安全體系
惡意威脅源
擬態(tài)安全+云安全+
XX安全技術
防火防盜
自然災害
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
圖6 ICS 應用與安全發(fā)展
14
2016，52（13）
系統(tǒng)安全問題得到了來自政府部門、國家國防技術研究
機構、工業(yè)企業(yè)與各類學術研究機構的廣泛關注，且國
外構建了基本的理論、技術與研究機構，國內也逐步發(fā)
展ICS 安全的研究，但其仍處于發(fā)展初期，還需要經(jīng)歷
較長的時間去發(fā)展成熟[100-102]。目前，在國際標準CPNI、
ISA-99、IEC62443、NIST SP 800-82 與NERC CIP 等標
準框架下，各部分研究技術均有較明確的發(fā)展思路，同
時也面臨許多挑戰(zhàn)。除了研究以上標準提到的較好的
工控安全策略之外，還應重點關注和思考以下問題：
（1）如何構建我國安全的工控架構，尤其是國家綠
色能源建設——水電、智能電網(wǎng)平臺。
（2）如何實現(xiàn)安全的終端技術，在保證實時性的要
求下完成數(shù)據(jù)的快速加密認證，底層協(xié)議的標準化、安
全化研究，保證傳感網(wǎng)絡的安全。
（3）將工控安全與工業(yè)大數(shù)據(jù)集合，構建包括網(wǎng)絡
安全與機械自身安全的全面工控安全平臺，考慮如何實
現(xiàn)CPS 與PHM技術推廣到工業(yè)生產(chǎn)端，為儀器做好健
康監(jiān)控管理。
（4）考慮如何完善國家工控標準、人員管理方案，提
高涉工控所有人員的安全意識。
（5）研究虛擬仿真技術，用低成本研究工控安全，研
究虛擬蜜罐以及試驗床仿真技術。
（6）將安全分布式管理，研究使用硬件完成安全功
能，如硬件加密技術等。
6.2 總結
震網(wǎng)“Stuxnet”事件之后，工控安全這一主題受到廣
泛關注，國內外都取得一定的成果，本文總結分析了工
控系統(tǒng)的架構資產(chǎn)、面臨的威脅、存在的脆弱性與安全
措施等內容：
（1）架構資產(chǎn)方面，國內很多研究機構出于保密或
者歷史因素沒有嚴格制定資產(chǎn)清單，這給后期的安全
管理、補丁管理等埋下隱患。工控資產(chǎn)清單應能為后
期安全管理作鋪墊，應該包括軟件資產(chǎn)清單（Software
Inventory）、硬件資產(chǎn)清單（Hardware Inventory）、設備
清單（Device Inventory），網(wǎng)絡拓撲、安全狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)
境等內容。
（2）面臨威脅方面，工控系統(tǒng)面臨的威脅有很多，包
括無意識威脅與惡意威脅。無意識威脅指的是自然災
害與儀器自身老化等問題；惡意威脅造成的損失遠遠超
過無意識威脅，指一切以破壞工控正常生產(chǎn)為目的行
為，有來自網(wǎng)絡的，也有來自內部人員的。應用工控蜜
罐技術、Conpot 能夠記錄分析主動攻擊工控系統(tǒng)的威脅
源，為進一步的防御動作做好準備。
（3）脆弱性方面，工控系統(tǒng)存在脆弱性亦可指其漏
洞，包括平臺漏洞、協(xié)議漏洞管理漏洞等。平臺漏洞可
以使用漏洞掃描系統(tǒng)結合漏洞庫找出；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
內外經(jīng)驗，國內缺少相應的安全管理標準和參考文獻，
國外則已有很多成文的管理條例。
（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)，安全措施應能應對
外來攻擊，檢測內部異常，及時修復系統(tǒng)、使工控系統(tǒng)恢
復正常功能，能夠追蹤記錄事件源，責任到人。
結合工信部451 號文件，提出如下建議：工控安全
不僅僅是單純的技術安全，而是一個系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)安全，包
括相關的體制革新，管理流程優(yōu)化，人員意識培養(yǎng)，技術
創(chuàng)新，需要國家、企業(yè)、工程師、信息安全專家等的參
與。結合工控的體系架構以及工控發(fā)展趨勢，提出如下
建議：
（1）管理層面。完善管理體制，對過時的安全體制
進行革新；國家給予足夠重視，建立統(tǒng)一的工控安全領
導機構，完善相應的管理、操作、技術規(guī)范制度，完善應
急預案。
（2）技術層面。構建仿免疫學的四層防御體系，構
建“邊界”，隔絕外部入侵，使用工控防火墻、網(wǎng)絡分區(qū)隔
離技術等深度防御措施；檢測內部異常，使用異常檢測
技術、漏洞掃描技術、強口令登錄；完善自我修復功能，
采用日志審計技術、事件響應技術、入侵防御技術等；主
動出擊，智能維護，使用工控蜜罐技術主動出擊，態(tài)勢感
知決策安全措施。加強技術創(chuàng)新，與新興的擬態(tài)安全、
云安全等技術相結合。
（3）企業(yè)機構層面。加強員工安全意識培訓，企業(yè)
高管關注安全問題。
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