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工业控制系统安全状况分析

文档作者：谷俊涛文档来源：黑龙江省电子信息产品监督检验院		点击数：	更新时间： 2021年06月05日
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机械工程师
凇ECHANlCAL ENGINEER
工业控制系统安全状况分析
谷俊涛
(黑龙江省电子信息产品监督检验院，哈尔滨150090)
摘要：首先介绍了近年来工业控制系统在重计民生上举足轻重的作用，在关键工控系统领域发生恶意攻击事件将对国
家、社会和经济的繁荣稳定产生巨大的负面影响。接着介绍工业控制系统基础体系架构和安全现状．通过对工控系统自身
威胁检测和安全防护状况的分析，最后根据工控系统目前面临的特殊i青况，提出了针对工业控制系统加强威胁检测和安全
防范措施的可行性建议。
关键词：工控系统：网络安全：威胁检测
中图分类号：TB 1 15 文献标志码：A 文章编号：1002—2333(2016)07—0166—03
0引言
随着信息化和工业化的不断深入交融，工业控制系
统在众多行业的关键基础设施中都得到了广泛的应用，
在电力、能源、化工、生物工程、航天、金融以及智能机械
等行业都具有巨大的应用空间。而且这些工业控制系统
越来越多地采用标准、通用的通信协议及软硬件系统，甚
至有些工控系统也能以某种方式连接到互联网等公共网络
中【-1。这使得工业控制系统也难免面临木马、病毒、黑客入
侵、拒绝服务等传统的信息安全威胁，而且由于工业控制
系统多被应用在支撑国家安全、国计民生、经济发展等核
心领域，当其发生安全事故后，将对社会和经济的发展带
来重大的损失。
1工业控制系统的安全状况
J．J工控系统体系架构简介
工业控制系统(ICS—Industrial Control System)是由
计算机设备与工业过程控制部件组成的自动控制系统。
国际自动化协会(ISA)与IEC／TC65／WG在整合后发布的
IEC 62443{工业过程测量、控制和自动化网络与系统信
图1工业控制系统基础架构图
息安全》中给出了工业控制系统的明确定义，即：“工业控
制系统是包括制造和加工厂站和设施、建筑环境控制系
统、地理位置上具有分散操作性质的公共事业设施(如电
力、天然气)、石油生产以及管线等进行自动化或远程控
制的系统。”
在一般情况下工业控制系统所包含的相关子系统以
滑轮的功能，结合实际情况和产品工况，用链条代替滑轮
来实现对胶管的支撑功能，见图5。
2．5得出方案
把图5的功能组件模型转化到具体方案中，把胶管换成
耐磨的树脂胶管，直接由胶管进行导向和定位，门架视野得
到明显改善。从图6中可以看出，滑轮4取消，胶管5和链条3叠
加布置，消除了胶管带来的有害因素。这样胶管节省出约40
图7 四胶管和链条叠加使用实例
mm的横向空间，增加
操作者的视野范围。
3结语
裁剪方法在该
门架的应用，推进了
叉车门架在视野分析
上的进一步研究，通
过单胶管单链条的叠
加，进一步应用到双
胶管双链条的叠加，四胶管和链条的叠JJu(见图7)。四胶
管和链条的叠加，省去了外挂卷管器，在增加叉车门架视
野的基础上降低了叉车的制造成本。TRIZ仓J新理论作为
创新方法的一种，为我们进行质量攻关、产品改进、专利
申报、新产品研发提供了积极作用，不断由浅入深地学习
创新方法的理论体系，可以开阔我们的思维模式，更加容
易地寻找到解决实际问题的创新方法，提高产品在市场
上的实际价值。
[参考文献]
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[2]创新方法研究会．创新方法教程[M]．北京：高等教育出版社，
2012．
[3]机械设计手册编委会．机械设计手册[M]．北京：机械工业出版
社。2004． (编辑黄荻)
作者简介：钟继萍(1963一)，女。高级工程师，从事机械设计工作。
收稿日期：2016—02一01
1 66 i 2016年第7期网址：www．jxgcs com电邮：hrbengineer@163 com
万方数据
机械工程师
MECHANlCAL ENGINEER
及功能组件如图1所示。
1)遥测遥控系统：数据采集与监控控制系统
(SCADA)，远程测控单元(RTU)，逻辑控制或者程序控制
(PLC)，分布式过程控制系统(DCS)，网络电子传感，监视／
控制胗断系统等。
2)相关信息系统，如图形化界面、过程历史库、制造
执行系统(MEs)以及厂站信息管理系统。
工业控制系统以自身工业控制网络为基础，结合现
代计算机技术，实现了计算机系统向工业自动化控制领
域的延伸和发展；作为一系列组成元素(组件)的总称，工
业控制系统这一称呼涵盖了可对工业流程安全性、可靠
性操作产生影响的一系列硬件和软件。
J．2工业控制系统安全现状
工控系统发展之初的几十年，工业以太网与Intemet
通常是物理隔离的，因此传统意义上，工业以太网并未被
纳入到网络安全和反病毒所考虑的领域。也没有针对工
业以太网安全研制的IDS(入侵检测系统)、VDS(网络病
毒监控系统)等在线安全检测系统。
工业以太网在技术上与商用以太网兼容，攻击渗透
商用以太网的手段同样可用于攻击工业以太网，那么用
于商业以太网的IDS等在线安全检测手段也同样可用于
工业以太网，关键是基于工业以太网和相应攻击渗透手
段的检测规则，设备硬件上并没有太大的变化。但工业控
制网络并不只包含工业以太网，现场总线将数字化通信
从DCS中的工业以太网下移到了现场仪表[21。每一个现场
仪表，为了实现数字化通信，现场仪表必须是基于单片机
和嵌入式系统的智能仪表。每一个现场仪表上都运行着
嵌入式软件。因此，数字化通信和软件的下移，将导致攻
击目标下移，传统针对以太网的攻击完全有可能发展成
为针对现场总线网络和现场仪表的攻击。
工控系统网络应急响应小组(ICS—CERT)的通讯简报
显示，在2014年9月至2015年2月期间，共接到属于2014财
务年度的安全事件报告245起。其中32％为能源行业，27％
为关键制造业，通信、供水、交通、医疗和政府设施各占
5％到6％的比例。约55％的攻击涉及glJAPT攻击，出于军
事侦察、商业间谍或各种其他原因，分别由内部人员、黑
客活动组织和网络罪犯发起，但由于缺乏标志性数据，许
多起事件的始作俑者仍然未知。
黑客对工业控制系统的攻击主要包括ICS／SCADA联
网设备的利用、未授权访问、鱼叉式钓鱼攻击工、网络刺
探、对物理隔绝设备进行恶意软件感染、水坑攻击、SQL注
入、系统和设备零日漏洞的利用等。由于目标工业控制网
络缺乏威胁监视和检测能力，许多攻击的方式和途径未
知，更无线索可寻。但通过全网的流量监控，统计出网络
扫描在访问媒介中占到22％，鱼叉式钓鱼占到17％。ICS—
CERT通过分析发现，绝大部分攻击事件都是第三方机构
或资产所有者和研究人员所提交。因此，可预判还有许多
入侵行为和安全事件并没有上报。
工业控制系统存在的安全问题主要有以下几个方面：
1)操作系统不能及时更新，易产生安全漏洞。由于当
前主流的微软Windows系统具有成本较低，便于掌握使用
等优点，因此大部分的工业控制系统都选择使用这一系统
平台。但是使用该系统也存在一定的问题，为了维护系统
的稳定性和正常的网络通信，就需要专门的管理人员对系
统进行升级维护，但目前的工控系统在安装完成之后几乎
没有管理员再对其进行管理维护，这将不可避免地产生各
种各样的安全漏洞，使得修复工作变得异常困难。
2)系统的硬件设施安全l生能较低。这主要体现在工控
系统的现场控制站以及控制设备上：现在多数的现场控制
站都使用兼容机结构，这比使用服务器以及工控机在成本
上便宜很多，但与之对应的可靠性就不能得到有效保证。
再者当前的控制专用设备在进行设计的时候忽略了安全
性的问题，一些控制器由于缺乏对进行通信的数据包格式
和大小方面的严格检查，这就为攻击者向控制器发送一些
畸形数据包提供了可乘之机，一旦攻击者发送成功将会使
工控机停止工作，造成的损失是非常巨大的。
3)系统抵御计算机病毒入侵的能力较差。工业控制
系统的重要作用对系统的可靠性也提出了极高的要求，
一些防病毒的产品在安装到系统中之前，必须要进行严
格的测试，还对这些防病毒产品的功能进行了限制，从而
防止因为资源消耗过多对工控系统的性能造成影响。然
而，现在许多工控系统的管理人员为了方便业务，并没有
在系统中安装必要的防病毒产品，或者在安装之后没有
开启全病毒库的扫描模式，造成的后果就是工控系统抵
御计算机病毒入侵的能力很差。
4)针对系统管理制度上的问题。工控系统安全来自
管理制度上的威胁主要是：现在工控系统的使用方缺乏
移动存储介质在管理方面的规定，或者缺乏规定的强硬
制定力度，没有系统的监管手段。尤其是在一些需要进行
物理隔离的工控系统中，计算机病毒的主要传播媒介就
是移动存储介质，这点可以从伊朗在2010年产生的“震
网”病毒和后来爆发的“火焰”病毒中得到显著的体现。信
息技术的飞速发展以及企业自身管理需求的不断提高，
对工业控制系统和企业的管理系统带来了巨大影响。在
最初的时候，企业的工控系统和企业的管理系统是相互
隔离的。现在由于“两化融合”，这两个系统之间可以直接
通信，或者连接到互联网。在这个背景下，工控系统受到
的威胁一方面来自企业的内部，另一方面来自于互联网。
来自互联网的威胁主要体现在：a．纷繁复杂的网络结构。
在工业控制系统中使用的控制通信协议是多种多样的，
但在进行网络管理时都是采用单一的TCP3P协议，这就
使得网络的管理人员在对网络进行管理分配时有很大的
困难。b．不能实时升级更新的网络防护设备。在许多的工
控系统中主流的通信协议是使用微软开发的DCOM协
议，该协议在进行通信时端口号是不固定的，这就使得传
统意义上的网络防护设备像防火墙和网闸等不能保证系
统的安全性。c．网络攻击带来的威胁。在“两化融合”的推
动作用下，工业控制系统已经可以连接到互联网中，这必
网址：WWW．jxgcs．com电邮：hrbengineer@163．corn 2016年第7期l 1 67
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将受到互联网中的各种网络攻击[2-'fJ。
2工控系统的安全防护措施
从市场竞争情况来看，目前国内尚未出现市场化的
解决方案及产品，但可看出有两方面的势力可进入相关
领域市场。一方面从传统的产业供应链环节解决安全问
题，传统工控系统的供应链体系大多由上游的器件生产
商、系统供应商、工控机供应商等厂商组成，但是其缺乏
信息安全领域的研发基础，对信息安全的积累不足。另一
方面通过传统的信息安全厂商研发相关安全产品来解决
工控安全问题，但是传统的信息安全厂商多以软件研发
为其主要核心研发方向，对硬件的研发基础不足，不能很
好地契合工控安全的场景。在短时间内仍无法提供稳定
高效的安全产品及解决方案。
图2工控网络安全中心部署结构图
I匪圃匦匦囹圈I I圆圈豳I
l归纳统计J l 桀笙髓
f圈圜圆圈lf囤|f圆圈圜圜1
I 雠璜女睫八分布式控科JI基础任务
根据目前工控系统面临的情况和现有技术手段的局
限，可以优先研发建立基于通用协议数据传输的工业控
制安全监控预警平台。通过将多协议工控总线旁路数据
采集探头部署到各个监控节点，将采集到的信息传输到
工控总线数据融合的状态监测和安全预警系统主机上，
就可以全面监控、预警工业控制网络中的各节点安全态
势。而在遇到较为复杂和严重的安全事件时，可以通过在
企业内部架设的工控网络私有云平台将事件进行综合分
析，最终将多路信息汇集到安全管理中心，可以对整个工
控网络进行全面布控与管理，并可进行安全事故的源头
追溯及事件还原。当出现重大安全事件时，专业的信息安
全工程师团队的远程云分析直至具有高度机动性的现场
分析服务。
本方案主要前端安全设备产品包括：多协议工控总
线数据采集探头、工控总线数据融合的状态监测和安全
预警系统主机、工控网络私有云平台、安全管理中一E,SOC
等四部分。每个部分均可以根据用户不同的实际安全需
求有针对性地部署在网络前端。在一定范围内扩容建设
更大规模的恶意代码和信息安全分析中心，用以解决用
户处的设备和人员分析能力无法解决的问题。而且本方
案属于旁路接入，不会影响工控系统本身的实时、稳定等
基础特性。
针对不同的用户需求，分别提供不同的解决方案。
1)简化方案。针对网络规模适中，可以开放一定网络
权限的用户，可以根据其主要的安全需求部署单台网络
预警主机及探头设备，通过后端提供的区域安全云支撑
体系完成恶意代码的分析和处置工作。
2)集成方案。针对网络规模较大，需要监控节点较多
的大型网络用户，可采用将分布式探针设备、预警主机、
工控网络私有云平台、安全事件管理中心设备共同部署
在用户网络中，以此实现对于复杂网络的实时监控和本
地化的集中统计管理。同时，用户的数据可以通过SOC反
馈给区域安全云，获得更为深入的数据分析结果。
网络拓扑和系统架构如图2～图3所示。
3结语
国家的相关部门高层已经注意到了工业控制系统在
安全性能上的不足以及遭受的攻击威胁，近两年网络安
全已经提升到国家安全战略的高度，并在政策、标准、技
术、方案等方面采取了积极的应对措施。袭击工控网络的
恶意代码一旦沾染信息武器的性质，就会对重要工控企
业的正常运转产生严重的干扰甚至造成不可挽回的损
失，核心工控系统遭受攻击的背后通常带有大国竞争与
博弈色彩。工业控制系统的总体安全状况不容乐观。另
外，我国的关键基础设施领域，大量采用国外的工控系统
和设备，因而面临更严重的安全威胁，提升工控系统威胁
检测能力和安全防护质量已刻不容缓。
[参考文献]
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[7]任伟．密码学与现代密码学研究[J]信息网络安全，2011(8)：
(编辑启迪)
作者简介：谷俊涛(1979一)，男，高级工程师，研究方向为网络信息安全。
收稿日期：2016—03—12

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