文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.179018
中文引用格式： 豐大軍，張曉莉，杜文玉，等. 安全可信工業(yè)控制系統(tǒng)構建方案[J].電子技術應用，2017，43(10)：74-77.
英文引用格式： Feng Dajun，Zhang Xiaoli，Du Wenyu，et al. A method of construct a secure and trustable industrial control system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：74-77.
0 引言
由于工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control System，ICS）的使用環(huán)境較為封閉，因此使用中往往更注重功能的實現(xiàn)，而對安全的關注相對缺乏。但是，伊朗的震網（Stuxnet）事件給了全世界一個警示，病毒可以感染看似物理隔離的工控系統(tǒng)，而且可以對控制對象進行物理破壞[1-5]。隨著互聯(lián)網和信息技術的發(fā)展，尤其是“工業(yè)4.0”的推進，工控系統(tǒng)固有的封閉性也被逐漸打破，隨之的安全問題也日益暴露[6-9]。
可信計算作為一個信息系統(tǒng)新技術，這些年在國內有了很大的發(fā)展和應用[10-13]。本文從實際應用對象和實際運行過程的角度分析工控系統(tǒng)中的威脅，探討可信計算與工控系統(tǒng)結合的可行性，最后給出一個整體的設計方案。
1 可行性分析
工業(yè)控制系統(tǒng)是由計算機軟硬件與工業(yè)過程控制部件組成的自動控制系統(tǒng)，主要通過工業(yè)過程控制部件對實時數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)測，在計算機的調配下，實施自動化和業(yè)務流程的管理與監(jiān)控。
針對工控系統(tǒng)的典型攻擊方式有：修改系統(tǒng)軟件、繞過操作權限、篡改組態(tài)文件、偽裝控制指令、偽造現(xiàn)場數(shù)據(jù)、拒絕服務、信息外泄等。
工業(yè)控制系統(tǒng)與普通計算機系統(tǒng)相比，具有一定的特殊性：
(1)可用性要求高，需要持續(xù)運行不能間斷；
(2)實時性要求高，添加安全措施也必須滿足實時性要求；
(3)一次啟動長期運行，很少對系統(tǒng)進行重啟；
(4)網絡結構與行為穩(wěn)定性高，投運之后基本不會發(fā)生改變；
(5)升級不方便，更新代價高，補丁難完善。
在這種特點下，傳統(tǒng)的“封堵查殺”無法有效地保護工控系統(tǒng)與網絡的安全，可信計算技術是解決工業(yè)控制系統(tǒng)安全問題的新思路。
按照ISO/IEC 15408給出的定義，可信是指參與計算的組件、操作或過程在任意條件下是可預測的，并能抵御病毒和一定程度的物理干擾。
可信計算通過為計算平臺增加一個具有安全保護的密碼芯片，并通過軟硬件結合的方式構建出一個可信計算環(huán)境。利用可信計算環(huán)境進行逐級認證，建立可信鏈，確保運行程序和依賴數(shù)據(jù)的真實性、機密性和可控性等[10-13]。
計算機系統(tǒng)要面臨各種系統(tǒng)補丁升級、應用軟件安裝等要求，所以在計算機中添加過多的認證和授權，會使計算機的可用性下降，從而可信計算機向日常使用方向推廣會遇到一定的阻力。
工業(yè)控制的應用需求與這些嚴格的限制非常契合。工控系統(tǒng)具有穩(wěn)定的使用環(huán)境、行為、功能。從項目建成投運之后，系統(tǒng)中的軟硬件都基本保持不變，設備的使用流程和控制目的都符合原先的工藝設計。系統(tǒng)軟件版本升級也只會由工控系統(tǒng)提供商來進行，所以系統(tǒng)內所有的程序版本的對應關系都是可知且固定的。從而所有相關程序進行認證和授權是具有可行性的，因此工控環(huán)境非常適合可信計算技術的實現(xiàn)。
2 系統(tǒng)模型
分析工控系統(tǒng)，可將關鍵數(shù)據(jù)和行為在軟硬件之間找到對應關系。工控系統(tǒng)模型如圖1所示。
工控系統(tǒng)有上位機和下位機兩種運行環(huán)境：上位機運行環(huán)境是普通計算機和通用操作系統(tǒng)，在其中運行著組態(tài)軟件；下位機運行環(huán)境是控制器和嵌入式軟件，在其中運行著從上位機下裝的組態(tài)邏輯。
可采用已較為成熟的可信計算機產品來保證上位機運行環(huán)境的可信；下位機嵌入式運行環(huán)境的可信則需要更改控制器的硬件結構和啟動機制來保證。
整個控制過程圍繞著兩類數(shù)據(jù)進行。(1)組態(tài)邏輯：用戶在上位機完成組態(tài)，編譯后將可執(zhí)行文件下裝至控制器運行。(2)計算數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)從現(xiàn)場設備采集或從上位機接收，傳輸至控制器，根據(jù)組態(tài)邏輯計算出結果，再輸出至設備進行動作。
以往典型的攻擊方式都是針對組態(tài)邏輯文件，因為實時數(shù)據(jù)的突變很容易被歷史趨勢記錄或觸發(fā)保護邏輯，引起操作者的察覺，所以目前的工控病毒大都把目標集中在直接修改組態(tài)邏輯上。本文設計的安全機制著重在組態(tài)邏輯的生成、分發(fā)、執(zhí)行過程。
本文將工控系統(tǒng)的工程生命周期分為啟動、組態(tài)、運行3個階段，分別利用可信計算的思想，以密碼機制為手段，實現(xiàn)了安全加固。
3 功能設計
3.1 可信啟動
工控系統(tǒng)中，工程的運行環(huán)境是指由嵌入式操作系統(tǒng)和實時控制系統(tǒng)軟件組成的環(huán)境，保證控制器在初始啟動時加載的是正確的系統(tǒng)文件，是工程安全運行的前提。常用的安全策略都是基于計算機網絡的病毒查殺技術，不能對文件是否被篡改進行鑒別，也不能防止設備在物流傳輸過程中設備或系統(tǒng)文件被人為替換。
可信計算的應用，可增加對正確文件的鑒別能力以及對異常文件的抵御能力。電子六所開發(fā)的全國產化PLC系統(tǒng)，在國產CPU的基礎上實現(xiàn)了可信啟動技術。在國產化硬件芯片和不可改寫的存儲芯片結合的前提下，對將要運行的系統(tǒng)軟件進行完整性度量，確保當前運行的版本未經篡改，與出廠版本保持一致。圖2是經過可信改造的控制器內部結構圖。
圖2所示的控制器，控制器上有可讀寫的Flash，其中存放著嵌入式操作系統(tǒng)、實時控制軟件等。由于Flash可讀寫的特性，有可能在未授權的情況下被人為替換，也有可能在運行過程中被病毒感染。所以需要對這部分系統(tǒng)代碼進行完整性度量，保證其與出廠指定版本保持一致。
控制器啟動時，先執(zhí)行ROM中驗證相關的邏輯，履行可信度量功能：CPU讀Flash區(qū)存放系統(tǒng)文件的指定位置，傳輸給可信模塊計算其摘要值，與預先存儲的基準值相比較。驗證結果回復給CPU，若驗證通過，則跳轉至正常執(zhí)行啟動嵌入式操作系統(tǒng)；若驗證不通過則控制器拒絕啟動，并產生報警。流程如圖3所示。
上述設計，在CPU硬件芯片國產化的基礎上杜絕了芯片后門，實現(xiàn)本體可信。利用ROM不可被改寫的特性，實現(xiàn)啟動時對整體運行環(huán)境的完整性度量，保證其與出廠時的版本保持一致，防止病毒感染系統(tǒng)文件、未經授權地修改系統(tǒng)文件、運輸過程中的分發(fā)攻擊等，為工業(yè)自動化構建了堅實可信的基礎平臺。
3.2 可信組態(tài)
工控系統(tǒng)運行過程中，可能受到以下方式的攻擊：
(1)感染工程師站，通過病毒直接修改本地保存的工程組態(tài)文件，讓使用者通過自己的合法途徑正常下裝至控制器運行。
(2)感染同一網絡內的其他計算機，偽裝成工程師站給控制器下裝，或修改工程師站下裝的數(shù)據(jù)包。
在傳統(tǒng)的工控系統(tǒng)中，這種攻擊是容易實現(xiàn)的，因為用戶邏輯從組態(tài)到運行整個過程均是明文存儲和傳輸，控制器對數(shù)據(jù)的發(fā)送方也不進行權限的鑒別和身份的認證。
可在傳統(tǒng)組態(tài)邏輯分發(fā)過程中增加一定的安全機制，增強控制器中執(zhí)行邏輯的可信程度?？尚沤M態(tài)分發(fā)過程如圖4所示。
在可信的工控系統(tǒng)中，有一套完整的PKI(Public Key Infrastructure)體系。每個物理節(jié)點都增加了密碼模塊硬件，均被分配屬于自己的公鑰和私鑰；每個操作人員都持有預先配置了不同操作權限的物理介質，從而可將自然人身份轉化為確定的數(shù)字信息。
(1)工程文件簽名
邏輯組態(tài)軟件在每次編譯生成可執(zhí)行文件時，需對文件進行簽名，從而防止第三方偽裝邏輯，或者在網絡傳輸過程中被篡改。
(2)通信前權限鑒別
在可信工控系統(tǒng)中，根據(jù)操作權限，使用者被分類成系統(tǒng)管理員、工程師、操作員，對應權限燒寫在UKEY等物理介質中。例如：更改密鑰需系統(tǒng)管理員權限，下裝工程需工程師權限等。
(3)接收前身份認證
在上下位機建立傳輸鏈接前，先使用“挑戰(zhàn)-響應”機制對雙方的身份進行驗證，相互認證通過后，控制器才會接收傳輸過來的數(shù)據(jù)包。
(4)工程文件驗簽
控制器對接收到的數(shù)據(jù)包進行驗簽，驗證通過后才執(zhí)行。
3.3 可信運行
目前國內基于可信計算理論設計的工業(yè)控制系統(tǒng)，大多只實現(xiàn)了啟動時對嵌入式運行軟件的靜態(tài)度量。然而不同于普通計算機系統(tǒng)，在實際使用中，工控系統(tǒng)并不會經常重啟，具有一次啟動長期運行的特點。另外在現(xiàn)場調試完成之后，也不會再頻繁修改下裝邏輯。
可信啟動和可信組態(tài)保證了嵌入式運行環(huán)境以及用戶邏輯可執(zhí)行文件的安全性，但是對于運行結果正確與否并無法保證，這就意味著動態(tài)度量必不可少。
可信計算中強調行為結果的可預期，在實踐中一般通過兩種理念：對內存等嵌入式運行環(huán)境的動態(tài)度量和對運行結果的動態(tài)度量。兩個方向有著不同的出發(fā)點，前者是為了保證環(huán)境不在運行中被改變，定時檢查內存正文區(qū)、函數(shù)堆棧、中斷向量表等關鍵數(shù)據(jù)結構；后者是通過審計系統(tǒng)，對所有行為與后果進行數(shù)據(jù)分析，判斷系統(tǒng)狀態(tài)與行為路徑是否匹配。
本文提出的可信運行方案是對工程實現(xiàn)時增加了一種安全組態(tài)規(guī)范，使用類似于形式化的描述工程的安全屬性，然后運行過程中對安全屬性進行驗證?？稍诮M態(tài)軟件中開發(fā)相關功能，支 持形式化語言描述，與IEC61131-3中的其他幾種語言結合使用。
某些控制過程可以確定地描述為某幾個狀態(tài)之間的轉換，每個狀態(tài)執(zhí)行具體的動作。以電梯的運行控制為例，將電梯的運行過程抽象成圖5所示的7種狀態(tài)，并且在正常運行時，狀態(tài)之間的轉移應滿足圖5所示路徑。
在運行過程中，判斷當前所處狀態(tài)由一段確定的預設邏輯，通過對操作結果的計算得到。例如對電梯設備的控制結果是電梯所處的位置，可根據(jù)最近幾個時刻的位置判斷出當前所處的是加速還是減速，是上升還是下降。當狀態(tài)轉移路徑與預設不符時，系統(tǒng)可按設置進行緊急處理，同時產生報警。
如果是典型的過程控制，例如火電機組，可根據(jù)不同負荷的工況提取出安全特征，例如在此負荷下，過熱蒸汽的安全范圍，甚至于汽輪機的分貝或震動強度等。
提取出系統(tǒng)的狀態(tài)、狀態(tài)的判定規(guī)則、狀態(tài)之間的轉換規(guī)則、狀態(tài)的安全判定規(guī)則等，都要求工程設計者對控制對象有更深入的研究，抽象出科學的模型，精確計算出數(shù)字范圍。
出于加強信息安全的考慮，安全驗證邏輯應該獨立于主運算任務，以另一個任務的形式運行，或者下裝至另一個CPU核中獨立運行，以實現(xiàn)運行與監(jiān)控相隔離的設計準則。
4 結語
電力、交通、石油化工等關乎國家民生的重大基礎設施中，工控系統(tǒng)的安全防護是非常必要的。在系統(tǒng)周邊進行安全加固是很有效的措施，但是工控系統(tǒng)本身也需要具備一定的威脅識別與防護能力，從而實現(xiàn)縱深防御的安全體系。
工業(yè)控制中，實時性是需要嚴格保證的。以往的工控系統(tǒng)中很少采用密碼體制，因為擔心控制過程中數(shù)據(jù)量的增加，以及加解密帶來的時間延遲。本文的方案著重在于工程生成、下裝和通信建立時使用了密碼機制，因為這些情況下，對響應時間沒有太嚴格的要求。
關于過程數(shù)據(jù)的可信，常用的密碼體制長秘鑰的方式對實時性影響太大，在工控場合適用性不強。由于工控并不支持大量用戶的并發(fā)操作，所以碰撞破解密碼的可能性較低。密鑰長度較短的對稱加密體制配合定期同步更換密鑰，也許更適合工控的實際應用。基于一次性密鑰（OTP）理念的流密碼可能是一種不錯的選擇。
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作者信息：
豐大軍1，張曉莉1，杜文玉2，徐一鳳1，馬保全1
（1.華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083；2.最高人民檢察院，北京100726）