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王文海 浙江大學(xué)

工業(yè)控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)裝備、國家重大工程及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的神經(jīng)中樞、運行中心和安全屏障。工業(yè)控制系統(tǒng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合的不斷深化，網(wǎng)絡(luò)攻擊方法的日益復(fù)雜多變，工控系統(tǒng)面臨前所未有的安全威脅。面對震網(wǎng)、BlackEnergy等集團(tuán)式攻擊，僅依靠傳統(tǒng)圍堵式被動防御體系已無法有效應(yīng)對，亟需在攻防嚴(yán)重不對稱、存在大量被漏洞被后門的現(xiàn)實環(huán)境中，抵御跨越信息物理空間的未知威脅，突破功能安全與信息安全深度融合場景下的工控安全防護(hù)難題。工控安全事關(guān)國家之戰(zhàn)略安全，自主可控，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)是立足之本。

本項目突破存在未知威脅環(huán)境下工控系統(tǒng)“知、防、強、評”困局，保障工控系統(tǒng)全生命周期的安全性、可靠性、可用性。項目的實施，將增強我國在工業(yè)控制系統(tǒng)防護(hù)領(lǐng)域的國際主動權(quán)和話語權(quán)，為有效保護(hù)我國重大基礎(chǔ)設(shè)施奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1　總體目標(biāo)

本項目研究工業(yè)控制系統(tǒng)脆弱性分析與威脅態(tài)勢感知技術(shù)、工控系統(tǒng)動態(tài)防護(hù)主動防御技術(shù)、工控系統(tǒng)可信增強免疫安全技術(shù)，及其控制裝備研制與安全測試評估方法與標(biāo)準(zhǔn)；構(gòu)建結(jié)合功能安全、信息安全、操作安全，覆蓋工控系統(tǒng)管理層、監(jiān)控層、控制層、器件（部件）層，貫穿控制工程的設(shè)計、運行、服務(wù)等全生命周期，全面保障工控系統(tǒng)的安全性、可靠性、實時性以及可用性的主動防御內(nèi)生安全的工控系統(tǒng)安全防范核心技術(shù)體系；研制工控系統(tǒng)入侵偵測與態(tài)勢感知、隔離加密與動態(tài)異構(gòu)、可信增強與入侵容忍、驗證平臺與測評分析等的工具與裝備；形成工控系統(tǒng)深度安全防護(hù)整體解決方案，并在萬點大型工業(yè)裝置中示范應(yīng)用。

2　主要研究內(nèi)容

（1）深度安全機理與體系架構(gòu)研究

針對工控系統(tǒng)攻擊機理和工程特征，研究多層次多維度工控系統(tǒng)動態(tài)防御機理與脆弱性分析理論；研究工控系統(tǒng)全生命周期全流程攻防建模。

研究基于動態(tài)重構(gòu)及可信增強的工控系統(tǒng)內(nèi)生安全主動防御機理，構(gòu)建可抵御多層次多維度復(fù)雜攻擊的工控系統(tǒng)深度安全體系架構(gòu)。

研究面向未知威脅的測試方式，提出工業(yè)控制系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體系。

（2）脆弱性分析與威脅態(tài)勢感知技術(shù)

研究基于數(shù)值、結(jié)構(gòu)及語義多層次特征指標(biāo)的函數(shù)高精度匹配算法，以及跨平臺漏洞關(guān)聯(lián)檢測機制；研究針對工控系統(tǒng)監(jiān)控軟件、通信協(xié)議、嵌入式操作系統(tǒng)、實時控制引擎的漏洞挖掘機制，研制工控系統(tǒng)設(shè)備漏洞挖掘與關(guān)聯(lián)平臺。

研究基于信息物理系統(tǒng)工程特征的深度防御體系，構(gòu)建多層次多維度的異常行為檢測機制；研究自學(xué)習(xí)的自動化逆推溯源方法，推斷攻擊路徑與源頭；研究層次化的工控威脅態(tài)勢感知指標(biāo)體系和風(fēng)險計算方法，推斷整體威脅態(tài)勢。

（3）動態(tài)重構(gòu)的主動防御技術(shù)

研究動態(tài)重構(gòu)策略、多余度表決機制、相異性度量理論，提出工業(yè)控制系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)主動防御框架體系。

研究控制邏輯多態(tài)隨機混合編譯及運行時驗證保護(hù)技術(shù)，采用隨機編譯技術(shù)生成多平臺等價邏輯執(zhí)行體，及其平行實時執(zhí)行策略。

基于動態(tài)密鑰構(gòu)建通訊通道，重構(gòu)工控系統(tǒng)安全通信協(xié)議，完成工控系統(tǒng)端到端加密安全傳輸；基于區(qū)塊鏈技術(shù)，以共識方式實現(xiàn)工程文件的安全存儲。

（4）可信增強的主動防御技術(shù)

研究控制系統(tǒng)可編程電子組件的可信增強技術(shù)和動態(tài)防護(hù)技術(shù)。突破可信鏈、完整性檢測、信源可信和協(xié)同安全認(rèn)證、安全聯(lián)動、多重異構(gòu)容錯、動態(tài)隔離與在線恢復(fù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)控制行為安全可信。

研究工業(yè)控制系統(tǒng)工程設(shè)計與運行安全可信技術(shù)，建立安全受控的關(guān)鍵工業(yè)裝備控制設(shè)計與運行維護(hù)機制，保障控制系統(tǒng)工程設(shè)計鏈的可信受控。

研究工業(yè)控制系統(tǒng)容侵彈性控制技術(shù)，研究局部網(wǎng)絡(luò)單元分布式協(xié)同估計與局部子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，突破分布式動態(tài)隔離與多重異構(gòu)容錯技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)全局彈性控制。

（5）裝備研制與安全測評

研究動態(tài)防護(hù)、可信增強等主動防御技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)和工程設(shè)計方法，研制自主可控、深度安全的工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品。

研究工業(yè)控制系統(tǒng)深度安全測試驗證技術(shù)，研制深度安全評估與測試驗證平臺。評估工業(yè)控制系統(tǒng)深度安全技術(shù)措施的執(zhí)行情況和有效性。

研究大型工程項目工業(yè)控制系統(tǒng)全生命周期綜合安全防護(hù)技術(shù)措施，研制面向大型工程項目的集成應(yīng)用與安全防護(hù)整體解決方案，完成萬點規(guī)模大型工程項目的示范應(yīng)用。

3　項目階段成果

項目的成功實施依賴于工業(yè)控制與信息安全的有機深度融合，防御未知攻擊必須跨越傳統(tǒng)信息安全與功能安全簡單式疊加的思維誤區(qū)。項目團(tuán)隊由在主動防御、工控裝備與安全、高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研制、工控安全測評與標(biāo)準(zhǔn)等方面具備優(yōu)勢工作基礎(chǔ)的22家單位組成，包括浙江大學(xué)、中國科學(xué)院信工所、信息工程大學(xué)、浙江中控、北京神州綠盟、中國信息安全測評中心、西安交通大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)等單位。項目現(xiàn)階段研究成果顯著：

（1）洞挖掘平臺的原型開發(fā)，3個工控漏洞獲得CVE漏洞確認(rèn)；研發(fā)了大規(guī)模固件函數(shù)關(guān)聯(lián)平臺；

（2）設(shè)（石油輸送、大型火電）2類典型工業(yè)裝置的工控深度安全技術(shù)測試驗證平臺，及國內(nèi)外3種主流ICS的深度安全技術(shù)測試驗證平臺；

（3）完成自主可控深度安全的工控系統(tǒng)的架構(gòu)原理設(shè)計，完成部分模塊的功能設(shè)計、開發(fā)實現(xiàn)或部件調(diào)試；研發(fā)具有動態(tài)重構(gòu)、隨機多樣化或異構(gòu)冗余特征的主動防護(hù)ICS相關(guān)組件及工具3個。

4　結(jié)語

本項目預(yù)期形成工控系統(tǒng)深度安全防護(hù)技術(shù)與裝備體系，滿足國家重大基礎(chǔ)設(shè)施與重大工程安全、可控、可信的需求，激發(fā)出新一代工控安全產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃“網(wǎng)絡(luò)空間專項”（2016YFB0800200）

作者簡介

王文海（1967-），研究員，浙江大學(xué)控制學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，長期專注于工業(yè)控制系統(tǒng)及其設(shè)計開發(fā)平臺、控制系統(tǒng)功能安全與信息安全等的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。最終形成獨具特色的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的完整計算機控制系統(tǒng)技術(shù)體系，領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)團(tuán)隊開發(fā)完成了全系列計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)品。并進(jìn)行大型工業(yè)裝備自動化系統(tǒng)的應(yīng)用研究，獲得一系列應(yīng)用創(chuàng)新成果。

摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》專刊第四輯