導(dǎo)讀：近9年多時(shí)間里，我國(guó)在實(shí)施工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全各項(xiàng)工作的同時(shí)，也遇到了與互聯(lián)網(wǎng)安全、信息系統(tǒng)安全完全不同的困難和挑戰(zhàn)，仍很?chē)?yán)峻……

來(lái)源|浙江大學(xué)工業(yè)控制系統(tǒng)安全技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

作者|馮冬芹

一、工控系統(tǒng)已成為網(wǎng)絡(luò)空間安全的重要戰(zhàn)場(chǎng)

2010年，伊朗發(fā)生了震驚世人的“震網(wǎng)”（Stuxnet）事件，“震網(wǎng)”計(jì)算機(jī)病毒攻擊了伊朗納坦茲鈾濃縮基地和布什爾核電站使用的西門(mén)子PCS7控制系統(tǒng)，破壞了大量鈾濃縮離心機(jī)和布什爾核電站發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)致伊朗核計(jì)劃至少被延遲2年。

事件表明，網(wǎng)絡(luò)空間的安全威脅已從傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)等虛擬空間迅速延伸擴(kuò)展至物理世界的工業(yè)控制系統(tǒng)。即“計(jì)算機(jī)病毒”可以在不破壞工控系統(tǒng)本身的情況下，通過(guò)操控工業(yè)控制系統(tǒng)，引發(fā)生產(chǎn)中斷、管道泄漏、環(huán)境污染、裝備損毀，甚至可以引發(fā)災(zāi)難事故，導(dǎo)致社會(huì)動(dòng)蕩，國(guó)家安全就會(huì)受到極大威脅。工控系統(tǒng)已成為網(wǎng)絡(luò)空間安全越來(lái)越重要的新戰(zhàn)場(chǎng)。人們?yōu)閰^(qū)別于傳統(tǒng)虛擬空間的病毒，把“震網(wǎng)”稱(chēng)為“超級(jí)巡航導(dǎo)彈”、“軟件原子彈”，等等。

自“震網(wǎng)”事件之后，針對(duì)工控系統(tǒng)攻擊的這種“軟件原子彈”威脅越來(lái)越多、離我們也越來(lái)越近，甚至原先我們認(rèn)為物理隔離的工控系統(tǒng)也未能幸免：

（1）如2015年12月，被認(rèn)為使用專(zhuān)網(wǎng)的烏克蘭伊萬(wàn)諾-弗蘭科夫斯克地區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)遭到“BlackEnergy”惡意代碼的攻擊。烏克蘭新聞媒體TSN報(bào)道稱(chēng)：“至少有三個(gè)電力區(qū)域被攻擊，導(dǎo)致了數(shù)小時(shí)的停電事故”；“攻擊者入侵了監(jiān)控管理系統(tǒng)，超過(guò)一半的地區(qū)和部分伊萬(wàn)諾-弗蘭科夫斯克地區(qū)斷電幾個(gè)小時(shí)。”Kyivoblenergo電力公司發(fā)布公告稱(chēng)：“公司因遭到入侵，導(dǎo)致7個(gè)110KV的變電站和23個(gè)35KV的變電站出現(xiàn)故障，導(dǎo)致80000用戶(hù)斷電?！?/p>

（2）2017年6月12日，一款針對(duì)電力變電站系統(tǒng)進(jìn)行惡意攻擊的工控網(wǎng)絡(luò)攻擊武器Industroyer被發(fā)現(xiàn)對(duì)烏克蘭電網(wǎng)發(fā)起了攻擊。與BlackEnergy不同的是，Industroyer據(jù)稱(chēng)沒(méi)有利用任何漏洞，而是利用電力系統(tǒng)自身的工控協(xié)議，直接控制斷路器，導(dǎo)致變電站斷電。

（3）2017年12月，一種針對(duì)施耐德電氣公司的Triconex安全儀表系統(tǒng)控制器（SIS，SafetyInstrumentSystem）的惡意軟件TRITON被發(fā)現(xiàn)。TRITON據(jù)稱(chēng)能修改安全儀表系統(tǒng)（SIS）的表決機(jī)制，從而使安全保護(hù)功能失效。

此外，由于工控系統(tǒng)在操作人員的界面軟件使用了微軟操作系統(tǒng)，因此針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)攻擊的病毒（如勒索病毒W(wǎng)annaCry）對(duì)工控系統(tǒng)也多多少少產(chǎn)生了一些影響。

二、我國(guó)對(duì)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全給予了前所未有的高度重視

自2010年震網(wǎng)事件發(fā)生后，我國(guó)從中央、各級(jí)部門(mén)，到各大企業(yè)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全給予了前所未有的高度重視:

（1）從國(guó)家層面，中央不僅成立了網(wǎng)絡(luò)安全與信息化委員會(huì)，而且先后發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理的通知》（工信部協(xié)[2011]451號(hào)）、《國(guó)務(wù)院關(guān)于大力推進(jìn)信息化發(fā)展和切實(shí)保障信息安全的若干意見(jiàn)（國(guó)發(fā)〔2012〕23號(hào)）》等文件，全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)也于2016年11月7日批準(zhǔn)發(fā)布了《網(wǎng)絡(luò)安全法》，自2017年6月1日起施行，表明包括工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)空間安全已上升到黨和國(guó)家、法律的高度；

（2）從國(guó)家機(jī)關(guān)職能上，國(guó)家和地方各職能機(jī)關(guān)、部門(mén)都已把工控安全放在十分重要的位置，不僅出臺(tái)了相應(yīng)的文件，而且開(kāi)展了各種形式的工控安全培訓(xùn)、大賽等科普活動(dòng)以及等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)、安全評(píng)估、安全檢測(cè)、安全檢查等實(shí)質(zhì)性工作；

（3）從標(biāo)準(zhǔn)層面，全國(guó)信息安全標(biāo)委會(huì)TC260、工業(yè)測(cè)量與控制標(biāo)委會(huì)TC124、全國(guó)電力系統(tǒng)管理及其信息交換標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)TC82等都在工控安全領(lǐng)域開(kāi)展了大量工作，發(fā)布了一系列與工控安全相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2019年5月13日,包括云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制以及大數(shù)據(jù)安全在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)等保2.0標(biāo)準(zhǔn))也在眾人期待下正式發(fā)布,并將于2019年12月1日開(kāi)始實(shí)施。

（4）從科研組織上，教育部也新設(shè)立了網(wǎng)絡(luò)空間安全一級(jí)學(xué)科，各大高校也紛紛成立了相關(guān)學(xué)院和專(zhuān)業(yè)。

（5）從產(chǎn)業(yè)組織上，國(guó)家工業(yè)信息安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，中國(guó)信息安全技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)工業(yè)信息安全聯(lián)盟等發(fā)展也很迅猛。

（6）在具體落實(shí)層面，各工業(yè)企業(yè)，特別是各重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施企業(yè)無(wú)不紛紛成立了專(zhuān)門(mén)的信息安全機(jī)構(gòu)，可見(jiàn)其重視程度。

由此可見(jiàn)，我國(guó)已建立起了覆蓋從國(guó)家層面、法律、職能機(jī)構(gòu)再到科研、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)和企業(yè)等所有層面的工控安全體系，足見(jiàn)對(duì)工控安全的重視程度。

三、工控系統(tǒng)面臨的安全威脅仍很?chē)?yán)峻

當(dāng)前，隨著“兩化融合”的不斷深入，我國(guó)電力系統(tǒng)、石油煉化、水利、城市與軌道交通、輸油管線(xiàn)、國(guó)防裝備、以及其他公用工程仍在大量使用的國(guó)外控制系統(tǒng)，很難做到與互聯(lián)網(wǎng)物理隔離；工控系統(tǒng)的維護(hù)、維修也仍然由這些工控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商所承擔(dān)，因此面臨的安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻：

（1）來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程攻擊，如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，黑客和攻擊者就可以遠(yuǎn)程對(duì)工控系統(tǒng)實(shí)施攻擊；

（2）通過(guò)移動(dòng)介質(zhì)的帶入攻擊，如移動(dòng)硬盤(pán)、U盤(pán)、光盤(pán)、移動(dòng)終端等；

（3）預(yù)埋代碼的潛伏式攻擊，典型的途徑有工程實(shí)施時(shí)的預(yù)埋、通過(guò)備品備件的預(yù)埋、通過(guò)維修維護(hù)帶入的預(yù)埋。

四、工控系統(tǒng)安全的主要威脅是有組織的專(zhuān)業(yè)化攻擊

從技術(shù)上看，工控系統(tǒng)所面臨的網(wǎng)絡(luò)安全威脅來(lái)自于兩個(gè)方面：一個(gè)是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，即利用操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件的漏洞發(fā)起的攻擊威脅。這類(lèi)威脅主要是針對(duì)計(jì)算機(jī)所使用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件（如辦公軟件、網(wǎng)站軟件等）的漏洞，獲取計(jì)算機(jī)操作權(quán)限，或竊取隱私或敏感信息。

另一個(gè)更重要的安全威脅來(lái)源于對(duì)工控系統(tǒng)及其所控制的生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)工藝非常熟悉的有組織的攻擊。從公開(kāi)的資料可以發(fā)現(xiàn)，“震網(wǎng)”雖然利用了操作系統(tǒng)的漏洞，但這些漏洞只是被用于“震網(wǎng)”代碼的傳播，其核心代碼卻是利用了西門(mén)子PCS7控制系統(tǒng)和核設(shè)施的特性，而發(fā)起惡意操控，同時(shí)向操作人員界面軟件發(fā)送欺騙數(shù)據(jù)。

由此可見(jiàn)，針對(duì)工控系統(tǒng)核心部件攻擊的“黑客”除了要具有一般的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和軟件知識(shí)外，更利用了工控系統(tǒng)本身的軟件硬件特性和通信協(xié)議、操作指令和基礎(chǔ)設(shè)施生產(chǎn)裝置的弱點(diǎn)，導(dǎo)致一般的互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)人員難以發(fā)現(xiàn)，即具有“高專(zhuān)業(yè)性、高隱蔽性、高復(fù)雜性、難以被發(fā)現(xiàn)、難以被跟蹤”（即“三高兩難”）特性。

五、工控系統(tǒng)安全保護(hù)挑戰(zhàn)比一般信息系統(tǒng)大很多

從2010年的“震網(wǎng)”事件至今的近9年多時(shí)間里，我國(guó)在實(shí)施工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全各項(xiàng)工作的同時(shí)，也遇到了與互聯(lián)網(wǎng)安全、信息系統(tǒng)安全完全不同的困難和挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)工控安全的理解，更多還停留在互聯(lián)網(wǎng)安全和協(xié)議層面

與互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)相比，工控系統(tǒng)大多是由傳感器、控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多環(huán)節(jié)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，其監(jiān)控軟件也是供操作員進(jìn)行工況監(jiān)視和簡(jiǎn)單的操作，工控協(xié)議用于傳輸生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。因此，工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全需要從以上所有要素以及生產(chǎn)裝置本身進(jìn)行綜合的考慮。

（2）對(duì)工控安全惡意代碼攻擊原理和機(jī)制的了解有限

如今，各種公開(kāi)報(bào)道、微博等各種社交媒體文件，以及許多文章、報(bào)告對(duì)工控安全事件的報(bào)道較多、技術(shù)性分析較少；對(duì)工控安全網(wǎng)絡(luò)部分威脅的渲染較多，對(duì)工控內(nèi)部的威脅分析較少；對(duì)操作系統(tǒng)“漏洞”介紹較多，對(duì)工控系統(tǒng)自身軟硬件漏洞分析較少；對(duì)操作系統(tǒng)、郵件等的漏洞利用介紹較多，對(duì)于工控惡意代碼“長(zhǎng)什么樣，什么時(shí)候來(lái)，什么時(shí)候觸發(fā)，如何觸發(fā)，什么時(shí)候離開(kāi)”等技術(shù)問(wèn)題，研究較少，導(dǎo)致工控安全工作的開(kāi)展難以深入。

（3）當(dāng)前工控安全防護(hù)措施和產(chǎn)品的有效性有待檢驗(yàn)

當(dāng)前，無(wú)論是針對(duì)工控系統(tǒng)的安全等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)、安全評(píng)估、安全檢測(cè)、安全檢查，還是各種工控安全產(chǎn)品，雖然形式多樣，但其有效性還遠(yuǎn)未得到用戶(hù)的認(rèn)可，尤其是針對(duì)工控系統(tǒng)終端設(shè)備面臨的安全威脅，“對(duì)錯(cuò)了癥、下錯(cuò)了藥”的問(wèn)題至今還未真正得到解決。

（4）工控安全的標(biāo)準(zhǔn)難以在工控系統(tǒng)終端落地

當(dāng)前，關(guān)于工控安全的標(biāo)準(zhǔn)已有很多，如IEC62443國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó)國(guó)際自動(dòng)化協(xié)會(huì)ISA的ISA99）、美國(guó)NIST發(fā)布的SP-800.53，以及我國(guó)的等保2.0標(biāo)準(zhǔn)GB/T22239-2019《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》等。但在實(shí)施過(guò)程中，面對(duì)運(yùn)行中的工控系統(tǒng)（尤其是其核心部件的控制器）時(shí)，還會(huì)遇到“碰不得、摸不得”的尷尬。

（5）工控安全的實(shí)施難以得到工控設(shè)備生產(chǎn)廠商的配合

工控系統(tǒng)不同于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)，不僅要保證生產(chǎn)過(guò)程按工藝設(shè)計(jì)要求運(yùn)行在預(yù)定的工況，同時(shí)還要避免安全事故的發(fā)生。換言之，工控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商、集成廠商不僅要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性、可靠性負(fù)責(zé)，還需要對(duì)生產(chǎn)的安全負(fù)責(zé)。這是傳統(tǒng)信息安全廠商和安全產(chǎn)品難以做到的。

六、工控系統(tǒng)安全需要注意避免的幾個(gè)誤區(qū)

如上所述，工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全需要圍繞控制系統(tǒng)本身與生產(chǎn)裝置安全開(kāi)展，在實(shí)踐中，要注意避免以下幾個(gè)誤區(qū)：

(1)過(guò)于強(qiáng)調(diào)基于漏洞掃描的安全防護(hù)

如前所述，工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工程師關(guān)注的是如何使產(chǎn)品更可靠、可用性更高，所開(kāi)發(fā)的控制算法如何使被控對(duì)象更穩(wěn)定、對(duì)外界干擾的魯棒性更高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)注較少，因此其軟件、硬件都存在著這樣或那樣的漏洞。

然而，目前市場(chǎng)流通的漏洞掃描產(chǎn)品僅僅能發(fā)現(xiàn)引發(fā)工控系統(tǒng)溢出、宕機(jī)的漏洞，而像“震網(wǎng)”、Industroyer、TRITON那樣所能利用的漏洞，通過(guò)傳統(tǒng)的手段還難以發(fā)現(xiàn)。

（2）過(guò)于強(qiáng)調(diào)補(bǔ)丁升級(jí)管理

眾所周知，由于工控系統(tǒng)的軟件硬件之間的耦合非常緊密，使用了大量非私有的協(xié)議、技術(shù)和功能模塊，一旦沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試而給系統(tǒng)打補(bǔ)丁或者版本更新，輕則導(dǎo)致藍(lán)屏、重則導(dǎo)致這些組態(tài)監(jiān)控軟件不再可用；而工控系統(tǒng)的重啟是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，一旦不慎，極易導(dǎo)致生產(chǎn)中斷、或因生產(chǎn)設(shè)備工藝不匹配而導(dǎo)致裝置損毀。

因此，對(duì)于一些重要、尤其是核心基礎(chǔ)設(shè)施的工控系統(tǒng)，打補(bǔ)丁、軟件版本更新必須慎之又慎！

（3）過(guò)于依賴(lài)工控系統(tǒng)的隔離安全

如前所述，隨著“兩化融合”的不斷推進(jìn)，生產(chǎn)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的互聯(lián)已經(jīng)成為工控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，與外界完全隔離幾乎不可能。另外，維護(hù)用的移動(dòng)設(shè)備或移動(dòng)電腦、備品備件，都可能成為代碼帶入的工具?！罢鹁W(wǎng)”據(jù)說(shuō)就是利用U盤(pán)帶入的。

（4）過(guò)于高估工業(yè)防火墻等傳統(tǒng)防護(hù)產(chǎn)品的作用

從目前工控系統(tǒng)的實(shí)際來(lái)看，工控系統(tǒng)除了它支持的私有協(xié)議和公開(kāi)專(zhuān)用協(xié)議之外，其他所有的協(xié)議都會(huì)被過(guò)濾，不會(huì)被處理。換言之，工控系統(tǒng)一般都具備了一般防火墻的能力。從這個(gè)意義上看，目前市場(chǎng)上所謂的工業(yè)防火墻，也僅僅起到應(yīng)付檢查的自我安慰作用。

(5)過(guò)于依賴(lài)單向通信隔離裝置

如上所述，針對(duì)工控系統(tǒng)的攻擊途徑有多種，有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)施的，有通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入的，更有通過(guò)移動(dòng)介質(zhì)、工程實(shí)施與維保預(yù)埋、備品備件預(yù)埋等途徑，單向通信隔離裝置也只能起到一部分作用。

七、工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)必須覆蓋工控系統(tǒng)本身、生產(chǎn)工藝與操作流程等所有方面

從具體實(shí)踐來(lái)講，對(duì)工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)和保護(hù)需要從以下幾個(gè)層面綜合考慮：

第一層，對(duì)工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)和保護(hù)，需要覆蓋工控系統(tǒng)軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)等所有部件。

第二層，對(duì)工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)和保護(hù)，需要結(jié)合生產(chǎn)工藝與操作流程而開(kāi)展。

第三層，針對(duì)工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)和保護(hù)，還必須覆蓋工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、工程實(shí)施、維修、運(yùn)行維護(hù)等全生命周期的所有環(huán)節(jié)。

工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)和保護(hù)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要回歸控制系統(tǒng)的初心、回歸控制系統(tǒng)的本質(zhì)，從工控系統(tǒng)的軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)以及生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)裝置等多方面同時(shí)著手，才能真正有效的對(duì)國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施安全進(jìn)行保護(hù)。

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