巴斯夫(中國(guó))有限公司 肖建榮
工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)分析與探討
巴斯夫(中國(guó))有限公司 肖建榮
全面分析現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù),探討目前市場(chǎng)上新出現(xiàn)的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)發(fā)展。理解和掌握這些工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù),為工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全提供有效的解決方案。
工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全;工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)
由于工業(yè)控制系統(tǒng)安全事故頻發(fā)及逐年上升,工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的嚴(yán)峻形勢(shì)引起了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注。工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全涉及石油、化工、電力、核設(shè)施、交通、冶金、水處理、生產(chǎn)制造等行業(yè),直接關(guān)系到國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì),因此,工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全已經(jīng)上升至國(guó)家層面,是國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全的重要組成部分。
工業(yè)控制系統(tǒng)信息安技術(shù),作為工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的重中之重,正吸引著全球工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品制造商、用戶、工程公司、相關(guān)職能部門的目光。積極探求現(xiàn)有的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安技術(shù),努力開發(fā)新的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù),必然成為大勢(shì)所趨。理解和掌握這些工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù),才能為工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全提供有效的解決方案。
現(xiàn)有的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)有多種,包括鑒別與授權(quán)技術(shù),過(guò)濾、阻止、訪問(wèn)控制技術(shù),編碼技術(shù)與數(shù)據(jù)確認(rèn)技術(shù),管理、審計(jì)、測(cè)量、監(jiān)控和檢測(cè)技術(shù),物理安全控制技術(shù)等。
2.1 鑒別與授權(quán)技術(shù)
鑒別與授權(quán),是工業(yè)控制系統(tǒng)訪問(wèn)控制的最基本要求。鑒別,用于驗(yàn)證用戶所聲稱的身份,驗(yàn)證用戶身份的過(guò)程或裝置,通常是允許進(jìn)行信息系統(tǒng)資源訪問(wèn)的先決條件。授權(quán),是批準(zhǔn)進(jìn)入系統(tǒng)訪問(wèn)系統(tǒng)資源的權(quán)利或允許。
鑒別與授權(quán)技術(shù)包括基于角色的授權(quán)工具、口令鑒別、物理/令牌鑒別、智能卡鑒別、生物鑒別、基于位置的鑒別、設(shè)備至設(shè)備的鑒別等。
(1)基于角色的授權(quán)工具
根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)用戶的角色或職責(zé),分配不同的訪問(wèn)權(quán)限,如操作人員權(quán)限、維護(hù)人員權(quán)限、管理人員權(quán)限、工程人員權(quán)限等。
目前的工業(yè)控制系統(tǒng)均配置這種基于角色的授權(quán)工具。
(2)口令鑒別
口令鑒別是工業(yè)控制系統(tǒng)最簡(jiǎn)單、最常用的鑒別技術(shù)。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中,口令能夠用于限制授權(quán)用戶請(qǐng)求的服務(wù)和功能。
(3)物理/令牌鑒別
物理/令牌鑒別與口令鑒別相似,只是用戶在請(qǐng)求訪問(wèn)時(shí)必須有安全令牌或智能卡。
(4)智能卡鑒別
智能卡鑒別與令牌鑒別相似,只是它能提供更多的功能。
(5)生物鑒別
生物鑒別通過(guò)請(qǐng)求用戶獨(dú)特的生物特征來(lái)確定真實(shí)性。
常用的生物鑒別有指紋儀、掌形儀、眼睛識(shí)別、面部識(shí)別、聲音識(shí)別等。
(6) 基于位置的鑒別
基于位置的鑒別技術(shù)是通過(guò)設(shè)備或請(qǐng)求訪問(wèn)用戶的空間位置來(lái)確定真實(shí)性。
這種鑒別技術(shù)通常要求系統(tǒng)配有GPS技術(shù),因此,目前這種技術(shù)應(yīng)用較少見。
(7) 設(shè)備至設(shè)備的鑒別
設(shè)備至設(shè)備的鑒別確保在兩個(gè)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送發(fā)生的惡意改變能得到識(shí)別。
這種鑒別技術(shù)通常與編碼技術(shù)一起部署。
2.2 過(guò)濾、阻止、訪問(wèn)控制技術(shù)
訪問(wèn)控制技術(shù)是過(guò)濾和阻止技術(shù),用于指導(dǎo)和調(diào)節(jié)已授權(quán)的設(shè)備或系統(tǒng)的信息流量。
過(guò)濾、阻止、訪問(wèn)控制技術(shù)包括工業(yè)防火墻技術(shù)、基于主機(jī)的防火墻技術(shù)、虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。
(1)工業(yè)防火墻技術(shù)
工業(yè)防火墻是工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全必須配置的設(shè)備。工業(yè)防火墻技術(shù)是工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)的基礎(chǔ)。
工業(yè)控制系統(tǒng)防火墻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域管控,劃分控制系統(tǒng)安全區(qū)域,對(duì)安全區(qū)域?qū)崿F(xiàn)隔離保護(hù),保護(hù)合法用戶訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源;同時(shí),可以對(duì)控制協(xié)議進(jìn)行深度解析,解析Modbus、DNP3等應(yīng)用層異常數(shù)據(jù)流量,并對(duì)OPC端口進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤,對(duì)關(guān)鍵寄存器和操作進(jìn)行保護(hù)。
工業(yè)防火墻技術(shù)包括數(shù)據(jù)包過(guò)濾技術(shù)、狀態(tài)包檢測(cè)技術(shù)和代理服務(wù)技術(shù)。
數(shù)據(jù)包過(guò)濾防火墻適用于工業(yè)控制,早期市場(chǎng)中已普遍使用,但其缺陷也慢慢顯現(xiàn)出來(lái)。
狀態(tài)包檢測(cè)防火墻適用于工業(yè)控制,在目前市場(chǎng)中正在推廣應(yīng)用,其優(yōu)越性也開始顯現(xiàn)。
代理服務(wù)網(wǎng)關(guān)防火墻不太適用于工業(yè)控制,但也有不計(jì)較延時(shí)情況的應(yīng)用。
(2)基于主機(jī)的防火墻技術(shù)
基于主機(jī)的防火墻技術(shù)是部署在工作站或控制器的軟件解決方案,用于控制進(jìn)出特定設(shè)備的流量。
這種基于主機(jī)的防火墻技術(shù)具有與工業(yè)防火墻類似的能力,包括狀態(tài)包檢測(cè)。目前這種技術(shù)偶爾用于非關(guān)鍵的工作站。
(3)虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
虛擬局域網(wǎng)將物理網(wǎng)絡(luò)分成幾個(gè)更小的邏輯網(wǎng)絡(luò),以增加性能、提高可管理性、以及簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
這種技術(shù)在控制系統(tǒng)中運(yùn)用較多。
2.3 編碼技術(shù)與數(shù)據(jù)確認(rèn)技術(shù)
編碼技術(shù)是為了確保信息僅對(duì)授權(quán)訪問(wèn)的信息數(shù)據(jù)的編碼與解碼的過(guò)程。數(shù)據(jù)確認(rèn)技術(shù)可以保護(hù)用于工業(yè)過(guò)程的信息的準(zhǔn)確性和完整性。
編碼技術(shù)與數(shù)據(jù)確認(rèn)技術(shù)包括對(duì)稱密鑰編碼技術(shù)、公鑰編碼與密鑰分配技術(shù)、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。
(1)對(duì)稱密鑰編碼技術(shù)
對(duì)稱密鑰編碼需要將明碼文本轉(zhuǎn)換成密碼文本,且在加密和解密均用同一把密鑰。
目前常見的對(duì)稱密鑰算法有三重?cái)?shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(3DES)和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)。AES常見的有AES12、AES192或AES256。
(2)公鑰編碼與密鑰分配技術(shù)
與對(duì)稱密鑰編碼不同的是,公鑰編碼使用一對(duì)不同而有關(guān)聯(lián)的密鑰(也稱公私鑰對(duì))。
這類公鑰鑒別通常部署在傳輸層安全(如SSL)、虛擬公網(wǎng)技術(shù)(如IPsec)等。
(3) 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
虛擬專用網(wǎng)(VPN)技術(shù)是一種采用加密、認(rèn)證等安全機(jī)制,在公共網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上建立安全、獨(dú)占、自治的邏輯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它不僅可以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的邊界安全,同時(shí)也是一種網(wǎng)絡(luò)互連的方式。
目前,SSL VPN已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。
2.4 管理、審計(jì)、測(cè)量、監(jiān)控和檢測(cè)技術(shù)
審計(jì)、監(jiān)控和檢測(cè)技術(shù)提供分析信息安全漏洞、檢測(cè)可能損害、以及辯證分析損害事件的能力。
管理、審計(jì)、測(cè)量、監(jiān)控和檢測(cè)技術(shù)包括日志審核工具、病毒與惡意代碼檢測(cè)系統(tǒng)、入侵檢測(cè)與入侵防護(hù)技術(shù)、漏洞掃描技術(shù)、辯論與分析工具。
(1)日志審核工具
日志審核工具是為系統(tǒng)管理員管理系統(tǒng)日志的工具,能夠發(fā)現(xiàn)并記錄信息安全事件發(fā)生的跡象、文件以及攻擊入口等。
目前市場(chǎng)上也出現(xiàn)一些日志審核工具,如大多數(shù)操作系統(tǒng)都有維修日志文件等。
(2)病毒與惡意代碼檢測(cè)系統(tǒng)
病毒與惡意代碼檢測(cè)系統(tǒng)是一種主動(dòng)檢測(cè)非正?;顒?dòng)的代理機(jī)制。
病毒與惡意代碼檢測(cè)系統(tǒng)通常部署在工作站、服務(wù)器和邊界。
(3)入侵檢測(cè)與入侵防護(hù)技術(shù)
入侵檢測(cè)是通過(guò)從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵點(diǎn)收集信息并對(duì)其進(jìn)行分析,從中發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中是否有違反安全策略的行為和遭到襲擊的跡象的一種安全技術(shù)。
入侵防護(hù)是一種主動(dòng)的、智能的入侵檢測(cè)、防范、阻止系統(tǒng),其設(shè)計(jì)旨在預(yù)先對(duì)入侵活動(dòng)和攻擊性網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行攔截,避免其造成任何損失,而不是簡(jiǎn)單地在惡意流量傳送時(shí)或傳送后才發(fā)出警報(bào)。
目前,入侵檢測(cè)與入侵防護(hù)技術(shù)已在控制系統(tǒng)中開始采用。
(4)漏洞掃描技術(shù)
漏洞掃描技術(shù)是一種檢測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)漏洞的方式,這種方式通常用在企業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞惡意入侵者進(jìn)入控制系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。
漏洞掃描技術(shù)通常由漏洞庫(kù)、掃描引擎、本地管理權(quán)限代理和報(bào)告機(jī)制組成。
由于工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞庫(kù)比較有限,因此其漏洞掃描技術(shù)應(yīng)用并不多。
(5)辯論與分析工具
辯論與分析工具用于基本的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng),分析非正常的網(wǎng)絡(luò)流量,以幫助信息安全研究人員和控制系統(tǒng)管理員。
2.5 物理安全控制技術(shù)
物理安全控制采用一些物理措施,以限制對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)信息資產(chǎn)的物理訪問(wèn)。
物理安全控制技術(shù)包括物理保護(hù)、人員安全等。
(1)物理保護(hù)
工業(yè)控制系統(tǒng)物理保護(hù)通常指的是安全防范系統(tǒng),包括訪問(wèn)監(jiān)視系統(tǒng)和訪問(wèn)限制系統(tǒng)。
訪問(wèn)監(jiān)視系統(tǒng)包括攝像機(jī)、傳感器等識(shí)別系統(tǒng)。訪問(wèn)限制系統(tǒng)包括圍欄、門、門禁、保安等。
(2)人員安全
工業(yè)控制系統(tǒng)人員安全通常指的是減少人為的失誤、盜竊、欺騙、或有意/無(wú)意濫用信息資產(chǎn)的可能性和風(fēng)險(xiǎn)。
這些人員安全通常包括雇傭方針、公司方針與實(shí)踐、任用條款等。
隨著工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全深入研究與發(fā)展,新的信息安全技術(shù)必然會(huì)層出不窮。
目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)有工業(yè)控制系統(tǒng)加固技術(shù)和信息安全工廠技術(shù),現(xiàn)簡(jiǎn)單分析如下,供大家參考。
3.1 工業(yè)控制系統(tǒng)加固技術(shù)
工業(yè)控制系統(tǒng)頻繁遭受攻擊,人們自然會(huì)想到工業(yè)控制系統(tǒng)加固技術(shù)。
在國(guó)外,有自動(dòng)化產(chǎn)品制造商已經(jīng)完成對(duì)PLC控制系統(tǒng)的加固設(shè)計(jì),并很快將投放市場(chǎng)。
3.1.1 工業(yè)控制系統(tǒng)加固技術(shù)產(chǎn)生背景
由于大部分工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全事件均來(lái)自控制系統(tǒng)本身,如控制器操作系統(tǒng)有漏洞、I/O模塊與接線存在隱患、電源部分不可靠等。因此,工業(yè)控制系統(tǒng)加固有很大的空間。
3.1.2 工業(yè)控制系統(tǒng)加固技術(shù)設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)底板、I/O模塊、電源部分以及PLC控制器加固,為控制系統(tǒng)信息安全提供更好的防護(hù)。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析如下:
(1)底板
· 采用快速I/O通信和電磁連接,免去I/O接插線,增加信息安全和電氣隔離;
· 采用4GB黑色織物通信,能夠提供1ms的掃描時(shí)間,不管I/O點(diǎn)數(shù)和用戶運(yùn)用程序;
· 采用金屬構(gòu)造,光纖星形網(wǎng)絡(luò)可支持20km跨度,提供分布和運(yùn)用靈活性的最高等級(jí)。
(2)I/O模塊
· 采用虛擬接線系列(VMS),使用三種I/O模塊類型,即通用模擬量、通用開關(guān)量輸入和通用開關(guān)量輸出;
· 采用通用總線模塊,支持PROFIBUS、DeviceNet、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)基金總線。
(3)控制器
· 采用一個(gè)通用控制器,針對(duì)所有控制模式;
· 采用冗余連接,減少過(guò)程中斷;
· 控制器底板配置先進(jìn)診斷技術(shù),提高運(yùn)行時(shí)間,增加資產(chǎn)使用率,并給出分析報(bào)告;
· 采用冗余層次和嵌入式信息安全,提供安全運(yùn)作。配有SIL3密碼黑色織物臂安全處理器,其實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)信息安全性評(píng)估已達(dá)EAL6+。
(4)電源部分
采用安全電源解決方案,包括電源和UPS部件設(shè)計(jì),為用戶加強(qiáng)安全。
3.2 信息安全工廠技術(shù)
最近,信息安全工廠(SecurePlant)作為工業(yè)信息安全技術(shù)新名詞,引起各位專業(yè)同行的高度關(guān)注。
信息安全工廠是一個(gè)針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)全面信息安全管理解決方案,由橫河電氣、思科和殼牌三家公司共同提出。
3.2.1 信息安全工廠技術(shù)產(chǎn)生背景
鑒于大多數(shù)公司在全球運(yùn)作,每個(gè)工廠都面對(duì)信息安全的挑戰(zhàn),每個(gè)工廠也采用不同的應(yīng)對(duì)方式,從而導(dǎo)致每個(gè)工廠的信息安全等級(jí)不同,缺乏一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.2 信息安全工廠技術(shù)設(shè)計(jì)
這種信息安全工廠解決方案設(shè)計(jì)由以下幾點(diǎn)組成:
(1)補(bǔ)丁和抗病毒設(shè)計(jì)
這種設(shè)計(jì),為控制系統(tǒng)提供操作系統(tǒng)補(bǔ)丁和防病毒模式文件。
通過(guò)現(xiàn)有公司全球網(wǎng)絡(luò),供應(yīng)商認(rèn)證的視窗信息安全補(bǔ)丁和病毒簽名文件由安全中心(SecureCenter)向每個(gè)工廠的安全現(xiàn)場(chǎng)(SecureSite)分發(fā)。
(2)實(shí)時(shí)和主動(dòng)監(jiān)視設(shè)計(jì)
這種設(shè)計(jì),為控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)和主動(dòng)監(jiān)視。
這種實(shí)時(shí)和主動(dòng)監(jiān)視能力使得工廠信息安全集中化管理得以實(shí)現(xiàn)。
(3)幫助桌面設(shè)計(jì)
這種設(shè)計(jì),為管理這種解決方案提供幫助桌面運(yùn)作。
通過(guò)供應(yīng)商的合作,為用戶提供24/7/365幫助桌面,管理解決方案相應(yīng)的事件。
通過(guò)上面的分析和探討可知,工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)是一門相對(duì)較成熟的技術(shù)。熟練掌握和運(yùn)用這些技術(shù),才能有效解決工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全事件頻發(fā),保證工業(yè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展保駕護(hù)航。
同時(shí),我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)是一門不斷深入發(fā)展的技術(shù)。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛運(yùn)用和不斷發(fā)展,其信息安全必將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),其信息安全技術(shù)的研究開發(fā)必將快速推進(jìn)。
[1] IEC62443 - 3 - 1 Security for Industrial Automation and Control Systems Part 3 - 1 Security Technologies for Industrial Automation and Control Systems [S]. 2012.
[2] ARC. Control system, PLC, IO, backplane, power supply are secure by design, 2015.
[3] Yokogawa. Companies collaborate to provide cybersecurity solutions for oil plants [J]. Control Engineering, 2015, 2.
圖6 3s-2s-2r坐標(biāo)系示意
在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系2r下,定子電流可分解為兩個(gè)獨(dú)立的分量:d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通;在控制轉(zhuǎn)子磁通恒定的前提下,電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比。從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。這樣,在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的坐標(biāo)系下,矢量控制就是把定子電流中的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個(gè)垂直的直流變量,分別進(jìn)行控制。通過(guò)坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī),從而可像直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁通控制。
在無(wú)傳感器矢量控制時(shí),電機(jī)電流通過(guò)計(jì)算被分為d 軸電流成分和q 軸電流成分,各成分分別受到控制。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能僅與q軸電流成分有關(guān)。補(bǔ)償量為從q 軸電流成分計(jì)算出的q 軸電壓補(bǔ)償量× C4-01。
(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩量
C4-03是正轉(zhuǎn)用的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩量,僅在無(wú)PG 矢量控制時(shí)有效。通過(guò)C4-03,以電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為100%,以% 為單位設(shè)定正轉(zhuǎn)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。使用該功能,轉(zhuǎn)矩指令將更快地得到執(zhí)行,從而提高起動(dòng)時(shí)的速度響應(yīng)性。通過(guò)C4-05 中設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能。該功能僅在以正轉(zhuǎn)方向起動(dòng)電機(jī)時(shí)有效。設(shè)定為0.0 時(shí),該功能無(wú)效。用于升降機(jī)等動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)進(jìn)行該設(shè)定。
參考文獻(xiàn):
[1] 李方園. 變頻器控制技術(shù)(第2版)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2015.
[2] 李方園. 變頻器應(yīng)用技術(shù)(第2版)[M]. 北京: 科學(xué)出版社. 2014.
作者簡(jiǎn)介
李方園(1973-),男,浙江舟山人,高級(jí)工程師,畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院工程碩士專業(yè),長(zhǎng)期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作,現(xiàn)就職于浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院。
Industrial Control System Security Technologies Analysis and Discussion
This paper generally analyzes current Industrial Control System (ICS) security technologies and discusses the developing ICS security technologies. Understanding and mastering these technologies are the keys to provide effective solution to the ICS security.
ICS Security; ICS security Technologies
肖建榮(1969-),男,高級(jí)工程師,主要從事工業(yè)電氣、儀表自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試工作。