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    1　引言

    現(xiàn)今，人類社會正不斷由工業(yè)化、自動化向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)信息化、產(chǎn)業(yè)化、智能化已成為工業(yè)控制系統(tǒng)研究的熱點。工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control System，ICS）將會面臨著巨大的變革。首先是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，過去自成一體的工業(yè)控制系統(tǒng)正在以各種方式接入企業(yè)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)；其次是通信協(xié)議的多樣化，各種工業(yè)通信協(xié)議已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，主要包括無線工業(yè)通信協(xié)議WIA-PA、ISA100.11a、Wireless HART，以及有線工業(yè)通信協(xié)議Modbus、PROFIBUS、CAN總線等，傳統(tǒng)的IT技術(shù)正在逐步滲入工業(yè)控制系統(tǒng)。

    隨著“工業(yè)4.0”的提出，以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命拉開帷幕。“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為德國的國家
戰(zhàn)略，結(jié)合“工業(yè)4.0”的核心理念，我國提出了“中國制造2025”宏偉藍圖。然而，工業(yè)革命的飛快變革給工業(yè)控制系統(tǒng)帶來了更多的信息安全問題和全新的挑戰(zhàn)。

    本文從ICS的概念和安全分析入手，研究并描述了ICS架構(gòu)模型和面臨的安全威脅，通過分析國內(nèi)外工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準的制定情況，為工業(yè)控制系統(tǒng)的安全建設(shè)提供理論研究基礎(chǔ)。

    2　工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與安全分析

    2.1　工業(yè)控制系統(tǒng)及其架構(gòu)

    工業(yè)控制系統(tǒng)是一個總稱，涵蓋各種類型的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）以及其它小型控制系統(tǒng)，如可編程邏輯控制器（PLC）的控制系統(tǒng)等。這些控制系統(tǒng)往往相互聯(lián)系、相互依存，是國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施正常運行的關(guān)鍵。

    典型的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示^[1]。主要包括企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)、過程控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)三部分。其中企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)具備了傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)的屬性，主要負責與互聯(lián)網(wǎng)和控制網(wǎng)絡(luò)的信息交互管理；過程控制網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)網(wǎng)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的橋梁與紐帶，主要設(shè)有實時服務(wù)器、海量歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站和操作站等；現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)位于工業(yè)控制系統(tǒng)的最底層，包括直接從事指令控制工作的PLC、遠程終端設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和執(zhí)行控制器等控制部件。執(zhí)行器數(shù)據(jù)采集設(shè)備與控制設(shè)備的連接可以采用目前主流的工業(yè)無線通信協(xié)議，也可以采用典型的工業(yè)有線通信協(xié)議。

圖1 典型工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
（注釋：隔離區(qū)（DMZ）用于隔離企業(yè)網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的直接通信，確保兩網(wǎng)之間的通信安全。）

    2.2　工業(yè)控制系統(tǒng)安全現(xiàn)狀

    如今，工業(yè)控制系統(tǒng)面臨著許多安全威脅，以下詳細列舉近年來國內(nèi)外發(fā)生的與工業(yè)控制系統(tǒng)相關(guān)的安全事故。

    2000年10月13日，二灘電廠由于控制系統(tǒng)死機造成機組甩負荷890MW，主要原因是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的直接互聯(lián)，電廠控制系統(tǒng)受到黑客攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)死機。

    2003年8月14日，“蠕蟲”病毒入侵加拿大安略省的供電系統(tǒng)，病毒通過阻礙恢復(fù)正常供電的進程運行，導(dǎo)致了美加大停電事故的發(fā)生。2010年7月， 伊朗布什爾核電站“ 震網(wǎng)病毒（Stuxnet）”事件曝光。由于tuxnet病毒的影響，布什爾核電站出現(xiàn)了大面積離心機故障，導(dǎo)致了嚴重的安全后果，該病毒感染了全球超過4萬5千個網(wǎng)絡(luò)，其影響力震驚全球。

    2011年7月23日，甬溫線發(fā)生特別重大鐵路交通事故，導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因是：列控中心設(shè)備存在嚴重設(shè)計缺陷和重大安全隱患，溫州南站列控中心采集驅(qū)動單元采集電路電源回路中保險管遭雷擊熔斷，采集數(shù)據(jù)不再更新，錯誤地顯示控制信號，最終導(dǎo)致列車發(fā)生追尾事故。

    這一切安全事故的發(fā)生，主要源于對ICS的信息安全問題不夠重視，沒有從本質(zhì)上認識到工業(yè)控制系統(tǒng)存在的安全威脅。工業(yè)控制系統(tǒng)的安全甚至?xí)P(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略安全。如何應(yīng)對新形勢下工業(yè)控制系統(tǒng)的安全威脅；如何尋求更加先進的安全技術(shù)來保護工業(yè)控制系統(tǒng)的安全；如何防范APT威脅；如何為工業(yè)控制系統(tǒng)提供安全管理制度，建立安全管理模型，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)今需要考慮的重要問題。面對這些接踵而至的問題，我們需要切實加強工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全預(yù)防與管理，以最終保障國家經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)運行安全。

    2.3　工業(yè)控制系統(tǒng)的安全分析

    信息化、自動化的推進，在為社會帶來巨大進步的同時，也使得工業(yè)控制系統(tǒng)所面臨的安全威脅與日俱增。圖2反映了ICS-CER（US-CERT下屬的專門負責工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)小組）于2010年到2013年統(tǒng)計調(diào)查的工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件發(fā)生的基本情況。數(shù)據(jù)顯示，在四年的時間內(nèi)，工控安全事件達到了632件，安全事件的四年增長率高達24%，而且其中能源行業(yè)占59%，關(guān)鍵制造行業(yè)占20%，這些數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題不容樂觀^[2,3]。

圖2 ICS-CERT統(tǒng)計工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件

   工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的安全威脅主要包括以下幾點：

    （1）對抗性威脅

    對抗性威脅的來源包括敵對政府、恐怖組織、工業(yè)間諜、心懷不滿的員工、惡意入侵者、自然災(zāi)害、人為事故等。為了防御對抗性威脅，需要在ICS中創(chuàng)建一個縱深的防御策略，用于防御對抗性威脅的發(fā)生。

    （2）標準化協(xié)議和技術(shù)的漏洞

    目前，ICS供應(yīng)商已經(jīng)開放其專有的工業(yè)控制系統(tǒng)協(xié)議，并公布了協(xié)議規(guī)范，但這些開放性的標準協(xié)議中不可避免地存在漏洞，甚至相關(guān)開發(fā)人員為了后期開發(fā)、維護的方便，留出了“后門”程序，這些漏洞無疑會給系統(tǒng)或產(chǎn)品本身帶來巨大隱患。所以，只有不斷地完善、修訂、探索工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)，才能研制出更加完善的標準化協(xié)議。同時，提高開發(fā)人員的個人素質(zhì)和道德修養(yǎng)，也是保證ICS安全的一個重要途徑。

    （3）網(wǎng)絡(luò)管理缺失

    互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了人類信息交流的核心，但其也頻繁遭受到黑客的攻擊。工業(yè)控制系統(tǒng)一旦接入互聯(lián)網(wǎng)，便會直接受到黑客的非法入侵等。用戶或者工廠工作人員有可能將企業(yè)信息直接發(fā)布到網(wǎng)上，而這恰恰給黑客高手提供了最基本的入侵信息。因此，提高員工安全意識，增強網(wǎng)絡(luò)管理體制，定期檢查設(shè)備接入信息，采取設(shè)備物理防護措施，是保證工業(yè)控制系統(tǒng)安全的重要方法。

    （4）移動存儲設(shè)備的非法接入

    在許多工廠控制系統(tǒng)中，員工為了方便，經(jīng)常使用非法移動存儲設(shè)備接入控制系統(tǒng)中的主機，這無疑給控制系統(tǒng)帶來嚴重的威脅。黑客經(jīng)常在網(wǎng)頁、應(yīng)用軟件中注入各種木馬病毒，這些病毒的最為主要的傳播途徑便是移動存儲設(shè)備。因此，提高員工相應(yīng)安全意識，增強安全防范措施，制定移動存儲設(shè)備的管理條例是防止病毒進入ICS的有力措施。

    （5）系統(tǒng)潛在的脆弱性

    系統(tǒng)潛在的脆弱性主要包括：策略和程序方面的脆弱性、平臺方面的脆弱性、網(wǎng)絡(luò)安全方面的脆弱性。其中，策略和程序方面的脆弱性主要源于ICS安全策略的制定不當、非正式的ICS安全培訓(xùn)和安全意識、安全架構(gòu)設(shè)計的不足等原因造成；平臺方面的脆弱性分為平臺配置、軟硬件、惡意軟件防護的脆弱性；網(wǎng)絡(luò)安全方面的脆弱性主要分為網(wǎng)絡(luò)配置、軟硬件、網(wǎng)絡(luò)邊界、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和記錄、通信/無線接入的脆弱性。

    3　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準化研究進展

    3.1　國外工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準化

    （1）信息系統(tǒng)安全標準

    盡管現(xiàn)今存在著大量的信息安全標準，但是因為工業(yè)控制環(huán)境下的特殊安全需求，導(dǎo)致大部分的信息安全標準并不普通適用。本節(jié)將簡單介紹分析國外的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準或指南，相關(guān)標準或指南包含了對工業(yè)控制系統(tǒng)的補充內(nèi)容或補充指南，有的已經(jīng)在工業(yè)控制系統(tǒng)風險管理中得到廣泛的使用，有的則在一定范圍內(nèi)作為工業(yè)控制系統(tǒng)的安全規(guī)范被使用。

    首先是ISO/IEC 27000系列標準，該標準為用戶提供了完整的信息系統(tǒng)安全實施指南，現(xiàn)階段該標準依舊被不斷地修改和完善。根據(jù)ENISA的研究表明^[4]，其子標準ISO/IEC 27002^[5]是被工業(yè)控制系統(tǒng)運用最多的標準，該標準描述了一種基于控制目標組件化的安全控制方式。值得注意的是，另一個基于27002進行編寫的子標準ISO/IEC 27019:2013，提出了工業(yè)環(huán)境中信息系統(tǒng)安全管理指南和電源管理單元的建議。

    美國國防部（Department of Defense，DoD）提出了相應(yīng)的信息安全認證系列標準（DIACAP）。其中8510.01^[6]標準定義了驗證與認證過程，以確保DoD的系統(tǒng)（可能使用工業(yè)控制系統(tǒng)中的技術(shù)）在生命周期中的
信息安全。

    美國政府編寫了FIPS系列標準，該標準主要集中于研究定義特定的安全技術(shù)（如密碼技術(shù)）或過程處理技術(shù)（如FIPS 201-2^[7]個人身份驗證）。在該系列標準中，與工業(yè)控制系統(tǒng)相關(guān)的標準主要為FIPS 199^[8]和FIPS 200^[9]。其中FIPS 199通過CIA的潛在影響對信息系統(tǒng)進行分類，它一定程度上提供了SCADA的分類實例。而FIPS 200定義了美國17個相關(guān)信息安全領(lǐng)域的最低安全要求。

    美國國家標準與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）同樣編寫了一系列標準與指南，用于幫助機構(gòu)，使其符合相應(yīng)的信息安全管理法案，并提供了工業(yè)控制系統(tǒng)的附加應(yīng)用指南^[10]。其中NIST SP 800-82^[11]的附錄E中詳細介紹了FISMA與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的關(guān)系，同時NIST SP800-53^[12]提出了相應(yīng)的安全控制指南。NIST SP 800-16（draft）^[13]著重于考慮工人的人身安全以及基于角色培訓(xùn)方案的制定。NIST SP 800-18^[14]提供了系統(tǒng)安全的部署與發(fā)展指南。NIST SP 800-37^[15]提出6層次的信息安全系統(tǒng)動態(tài)風險管理架構(gòu)，用于替代傳統(tǒng)認證與驗證過程。盡管NIST標準數(shù)量巨大，工業(yè)控制系統(tǒng)的要求只集中于FISMA的附加內(nèi)容，以及兩個已出版的NISTSP 800-53和NIST 800-82標準中。

    （2）控制系統(tǒng)安全標準

    IEC/ISA-62443^[16]是由ISA-99委員會制定的工業(yè)控制系統(tǒng)安全系列標準。62443系列標準分為4大類，分別是：

    ·通用（概念和材料）；

    ·政策與程序（安全管理系統(tǒng)、補丁程序管理）；

    ·系統(tǒng)（系統(tǒng)安全需求）；

    ·部件（產(chǎn)品發(fā)展需求）。

    其中最常用的兩個標準分別是ISA-62443-2-1^[17]和ISA-62443-3-2^[18]，前者描述安全管理系統(tǒng)的需求，并介紹了建立安全管理系統(tǒng)所需要的元素和流程。

    后者定義了區(qū)域和通道的架構(gòu)以及安全保障等級，同時定義了工業(yè)控制系統(tǒng)安全保障等級的要求。

    英國國家基礎(chǔ)設(shè)施保護中心（U.K.CPNI）已經(jīng)制定了7部工業(yè)控制系統(tǒng)安全實施指南，這些指南涵蓋安全管理的所有主題。它包括技術(shù)部分（如安全體系的實施）和非技術(shù)部分（如人為因素）。CPNI也制定了相應(yīng)的行業(yè)標準，例如解決民航安全問題^[19]和提高電信系統(tǒng)的抗災(zāi)能力。

    NAMUR NA 115為德國標準，它根據(jù)現(xiàn)代系統(tǒng)的參考體系概括了工業(yè)控制系統(tǒng)安全控制。此外，另一個德國標準文檔NAMUR NA 67，主要針對安全控制的應(yīng)用問題，但目前該標準文檔已經(jīng)被撤回。

    瑞典緊急事務(wù)管理署（Swedish Emergency Management Agency，SEMA）為工業(yè)控制系統(tǒng)安全制定了通用實施指南^[20]，該指南可以分為兩部分，第一部分主要針對管理層面的安全；第二部分主要針對操作層面的安全。同時該實施指南還對如何加強工業(yè)控制系統(tǒng)安全提出了15條建議。

    3.2　國內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準化

    國內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準的制定起步相對較晚，以下將從國內(nèi)目前現(xiàn)有的工控標準研究機構(gòu)介紹ICS標準的制定情況。

    （1）全國信息安全標準化技術(shù)委員會（TC260）

    全國信息安全標準技術(shù)委員會是在信息安全的專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)從事信息安全標準化工作的技術(shù)工作組。其工作任務(wù)是向國家標準化管理委員會提出本專業(yè)標準化工作的方針、政策和技術(shù)措施的建議。目前，TC260主要研制的有關(guān)ICS的標準如表1所示，在表1中我們重點從標準的研制狀態(tài)進行分析描述。

    （2）全國電力系統(tǒng)管理及其信息交換標準化技術(shù)委員會（TC82）

    TC82是與IEC TC57對口的標準化技術(shù)委員會，其主要負責電力系統(tǒng)遠動、遠方保護、變電站自動化、配網(wǎng)自動化、能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口、電力市場、分布能源通信、水電廠通信、數(shù)據(jù)通信和安全方面的標準化工作。以下將重點介紹TC82在電力工業(yè)控制系統(tǒng)中所制定的標準情況。

    · 《電力系統(tǒng)管理及其信息交換數(shù)據(jù)和通信安全第1部分：通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全安全問題介紹》（GB/Z 25320.1-2010），介紹了電力系統(tǒng)中信息安全知識與問題，為后續(xù)部分的基礎(chǔ)。

    · 《電力系統(tǒng)管理及其信息交換數(shù)據(jù)和通信安全第2部分：術(shù)語》（GB/Z 25320.2-2013），包含了該標準中所有的術(shù)語與縮略語列表。

    · 《電力系統(tǒng)管理及其信息交換數(shù)據(jù)和通信安全第3部分：通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全包括TCP/IP的協(xié)議集》（GB/Z 25320.3-2010），規(guī)定了如何為SCADA和用TCP/IP作為消息傳輸層的遠動協(xié)議提供機密性保護、篡改檢測機制和消息認證。

    · 《電力系統(tǒng)管理及其信息交換數(shù)據(jù)和通信安全第4部分：包含MMS的協(xié)議集》（GB/Z 25320.4-2010），規(guī)定了過程、協(xié)議擴充和算法，描述了使用制造業(yè)報文規(guī)范MMS時應(yīng)實現(xiàn)的一些強制的和可選的安全方案。

    · 《電力系統(tǒng)管理及其信息交換數(shù)據(jù)和通信安全第5部分：GB/T 18657等及其衍生標準的產(chǎn)生》（GB/Z25320.5-2013），規(guī)定了協(xié)議所用的消息格式、過程和算法。

    · 《電力系統(tǒng)管理及其信息交換數(shù)據(jù)和通信安全第6部分：IEC 61850的安全》（GB/Z 25320.6-2011），
為了對基于或派生于IEC 61850的所有協(xié)議的運行進行安全防護，本指導(dǎo)性技術(shù)文件規(guī)定了相應(yīng)的消息格式、過程與算法。

    （3）全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術(shù)委員會（TC124）TC124主要負責制定工業(yè)過程測量和控制用通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準，各類儀器儀表、執(zhí)行機構(gòu)、控制設(shè)備標準和安全標準。目前其制定的工業(yè)信息安全標準如下：

    · 《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全 第1-1部分：術(shù)語、概念和模型》，該標準規(guī)范，定義了用于工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)（IACS）信息安全的術(shù)語、概念和模型，是系列標準中其他標準的基礎(chǔ)。

    · 《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全 第2-1部分：建立工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)信息安全程序》，定義了相應(yīng)工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)建立要求與流程，并針對各建立要求提供對應(yīng)的指南。

    · 《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全 第3-1部分:工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)用安全技術(shù)》，提出了對工業(yè)自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全工具的測試標準，該標準可用于監(jiān)控調(diào)節(jié)相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)。

    · 《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全第1部分：評估規(guī)范》（GB/T 30976.1-2014），該標準主要定義了工業(yè)控制系
統(tǒng)信息安全評估目標，內(nèi)容，以及相應(yīng)的實施過程等。

    · 《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全第2部分：驗收規(guī)范》（GB/T 30976.2-2014），該標準主要針對工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全解決方案，定義了解決方案安全性的驗收流程、測試內(nèi)容、方法以及最終的測試指標。并能夠通過增加設(shè)備或系統(tǒng)來提高安全性。

    · 分布式控制系統(tǒng)（DCS）安全防護標準（草案）。該標準定義了集散控制系統(tǒng)的安全防護區(qū)域的劃分，并對每個區(qū)域的防護要點、防護設(shè)備以及防護技術(shù)提出了具體的要求。它主要用于集散控制系統(tǒng)各關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，也可作為系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)。

    · 分布式控制系統(tǒng)（DCS）風險與脆弱性檢測標準（草案）：該標準定義了分布式控制系統(tǒng)（DCS）的風險和脆弱性檢測。并重點針對于DCS軟件、DCS以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的風險與脆弱性檢測提出具體的要求。

    · 分布式控制系統(tǒng)（DCS）安全評估標準（草案）。該標準定義了分布式控制系統(tǒng)的安全評估等級劃分、評估的對象及實施流程，包括對應(yīng)用于DCS的所有產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)等進行評估。它主要用于各關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，也可由第三方機構(gòu)對DCS系統(tǒng)的安全現(xiàn)狀做出評估。

    · 分布式控制系統(tǒng)（DCS）安全管理標準（草案）：本標準提出，并定義了分布式控制系統(tǒng)信息安全管理體系及其相關(guān)安全管理要素的具體要求。

    · FORMTEXT可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)信息安全要求（工作組討論稿）。該標準研究并羅列了可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)的信息安全要求，包括PLC通過網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)、總線等）直接或間接與外部通信的信息安全要求。