0 引言

    在現(xiàn)有技術(shù)中，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全防護(hù)一般采取逐層防護(hù)的方式部署，即在攻擊路徑上的任意位置(如企業(yè)網(wǎng)入口、監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)入口、現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)入口)設(shè)置特定的防護(hù)措施，以阻斷攻擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全等級(jí)最高的現(xiàn)場(chǎng)層的保護(hù)。傳統(tǒng)防火墻是專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)設(shè)定好過濾規(guī)則^[1-2]，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全防護(hù)，需要預(yù)先定義各種總線協(xié)議及防護(hù)規(guī)則，通過對(duì)每種應(yīng)用服務(wù)建立專門的代理服務(wù)程序，但是只能按照事先定義好的過濾規(guī)則，在網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行監(jiān)控與分析，只能提供單一層面的、靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。其過濾規(guī)則是由網(wǎng)絡(luò)安全專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和已有的知識(shí)設(shè)定，很難適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的千變?nèi)f化^[3-4]。雖然可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和控制應(yīng)用層通信流的作用，但是其速度較慢，消耗過多的CPU資源，使得防護(hù)設(shè)備成為安全防護(hù)的瓶頸。尤其是在防護(hù)設(shè)備的CPU資源占用較多、接口流量過大時(shí)，處理速度過慢，安全防護(hù)設(shè)備成為響應(yīng)瓶頸，對(duì)一切數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾分析導(dǎo)致速度過慢，數(shù)據(jù)交換有較大的時(shí)延,不適應(yīng)工控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，嚴(yán)重影響工控現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，甚至造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，無法動(dòng)態(tài)地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)而造成無法彌補(bǔ)的損失。

    本文研究基于自適應(yīng)深度檢測(cè)的工控安全防護(hù)系統(tǒng)，所要解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自適應(yīng)深度檢測(cè)方法及系統(tǒng)，對(duì)安全防護(hù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)分析，根據(jù)用戶配置和防護(hù)設(shè)備的狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整安全防護(hù)級(jí)別，避免造成設(shè)備癱瘓的情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    如圖1所示，基于自適應(yīng)深度檢測(cè)的工控安全防護(hù)系統(tǒng)包含6個(gè)模塊：網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)模塊、工控協(xié)議數(shù)據(jù)包深度檢測(cè)模塊、自適應(yīng)檢測(cè)模塊、用戶配置子系統(tǒng)、日志管理子系統(tǒng)。本系統(tǒng)安裝在工控前置機(jī)上工作，工控前置機(jī)安裝在被保護(hù)設(shè)備的上游，需提前配置網(wǎng)絡(luò)信息和保護(hù)規(guī)則。

    (1)網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊：包含統(tǒng)透明代理、加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽服務(wù)、會(huì)話管理、內(nèi)存池管理、接口管理等功能。

    (2)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)模塊：檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)，檢測(cè)指標(biāo)包括并發(fā)用戶數(shù)、接口流量、內(nèi)存使用、進(jìn)程數(shù)、CPU占用。這些指標(biāo)檢測(cè)可用戶配置，以使用戶能夠靈活地在不同的環(huán)境下配置需要監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，給后續(xù)的自適應(yīng)算法提供計(jì)算依據(jù)。

    (3)工控協(xié)議數(shù)據(jù)包深度檢測(cè)模塊：實(shí)現(xiàn)協(xié)議識(shí)別、協(xié)議深度檢測(cè)、協(xié)議過濾規(guī)則庫管理等功能。

    ①協(xié)議識(shí)別是根據(jù)協(xié)議端口、動(dòng)態(tài)端口檢測(cè)等識(shí)別工控協(xié)議；

    ②協(xié)議深度檢測(cè)模塊即調(diào)用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)算法、工控協(xié)議數(shù)據(jù)包深度檢測(cè)算法、自適應(yīng)檢測(cè)算法等完成協(xié)議的深度檢測(cè)；

    ③協(xié)議過濾規(guī)則庫管理：包括預(yù)置規(guī)則、用戶自定義規(guī)則。

    (4)自適應(yīng)檢測(cè)調(diào)整模塊：根據(jù)用戶配置的檢測(cè)級(jí)別適應(yīng)規(guī)則，自動(dòng)按照系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行深度檢測(cè)的自適應(yīng)調(diào)整。

    (5)用戶配置子系統(tǒng)：用戶可以通過界面或者Console命令方式配置如下配置項(xiàng)：自適應(yīng)算法檢測(cè)指標(biāo)（并發(fā)用戶數(shù)、接口流量、內(nèi)存使用、進(jìn)程數(shù)、CPU占用）；前置機(jī)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口、DNS配置；系統(tǒng)工作模式（代理模式、路由模式）配置；網(wǎng)絡(luò)訪問控制的IP、MAC、IP范圍、子網(wǎng)掩碼、阻斷/通過；工控防護(hù)自適應(yīng)級(jí)別配置；端口控制配置。

    (6)日志管理子系統(tǒng)：日志審計(jì)部分記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志、安全防護(hù)日志、訪問日志、安全監(jiān)控日志等，審計(jì)的內(nèi)容包括協(xié)議檢查、過濾、交換、阻斷等內(nèi)容，包括正常操作和異常操作，每一條審計(jì)日志至少應(yīng)包括事件發(fā)生的日期、時(shí)間、源IP、目的IP、協(xié)議、事件描述和結(jié)果。

1.1 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)模塊

    設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)模塊用于根據(jù)用戶配置的檢測(cè)指標(biāo)，提供不同指標(biāo)的檢測(cè)信息，用戶能夠靈活地在不同的環(huán)境下配置需要監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以給后續(xù)的自適應(yīng)算法提供計(jì)算依據(jù)。檢測(cè)指標(biāo)包括：響應(yīng)時(shí)間、并發(fā)用戶數(shù)、吞吐量、服務(wù)器指標(biāo)（內(nèi)存使用、進(jìn)程數(shù)、CPU占用）。

    算法步驟如下：

    (1)響應(yīng)時(shí)間，檢測(cè)對(duì)請(qǐng)求作出響應(yīng)所需要的時(shí)間；

    (2)并發(fā)用戶數(shù)，檢測(cè)系統(tǒng)并發(fā)連接的數(shù)量；

    (3)吞吐量，檢測(cè)系統(tǒng)吞吐量，記錄服務(wù)器承受的壓力和系統(tǒng)的負(fù)載能力；

    (4)檢測(cè)服務(wù)器或操作系統(tǒng)性能的一些數(shù)據(jù)指標(biāo)，如使用內(nèi)存數(shù)、進(jìn)程時(shí)間等。

1.2 工控協(xié)議數(shù)據(jù)包深度檢測(cè)模塊

    深度檢測(cè)分為不同的檢測(cè)級(jí)別，從0～5共6個(gè)級(jí)別，級(jí)別0為最低。定義如下：

    0級(jí)：基于IP、MAC地址的網(wǎng)絡(luò)訪問控制；

    1級(jí)：流量控制、端口控制；

    2級(jí)：協(xié)議控制、完整性檢查、合法性檢查等；

    3級(jí)：功能碼控制、參數(shù)控制；

    4級(jí)：預(yù)置規(guī)則庫匹配控制；

    5級(jí)：參數(shù)范圍自定義設(shè)置，更加深入地匹配協(xié)議的每個(gè)控制位和數(shù)據(jù)位，用戶可以設(shè)定具體到協(xié)議每個(gè)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)保護(hù)規(guī)則。

    本模塊完成不同工控協(xié)議的數(shù)據(jù)包深度檢測(cè)，檢測(cè)過程如下：

    (1)啟動(dòng)前置，捕獲每一個(gè)經(jīng)過它的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包；

    (2)根據(jù)檢測(cè)級(jí)別，獲取匹配的檢測(cè)順序，該檢測(cè)順序按照級(jí)別從低到高，不允許跨級(jí)檢測(cè)；

    (3)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)訪問控制，根據(jù)規(guī)則過濾；

    (4)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包端口號(hào)過濾；

    (5)識(shí)別協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式符合協(xié)議完整性檢查、合法性檢查等規(guī)則，過濾出數(shù)據(jù)包；

    (6)根據(jù)對(duì)應(yīng)的預(yù)置工控協(xié)議功能碼控制、參數(shù)控制規(guī)則，檢測(cè)協(xié)議中的各個(gè)數(shù)據(jù)位；

    (7)根據(jù)用戶配置的自定義規(guī)則，檢測(cè)協(xié)議中的各個(gè)數(shù)據(jù)位。

1.3 自適應(yīng)檢測(cè)調(diào)整模塊

    自適應(yīng)檢測(cè)調(diào)整模塊用于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，調(diào)整流程如下：

    (1)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)算法，獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

    (2)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及用戶配置的檢測(cè)級(jí)別適應(yīng)規(guī)則自動(dòng)調(diào)整深度檢測(cè)算法的檢測(cè)級(jí)別。默認(rèn)狀態(tài)下，系統(tǒng)按照最高深度檢測(cè)級(jí)別工作，自適應(yīng)算法按照網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)逐級(jí)降級(jí)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)并發(fā)最大數(shù)量默認(rèn)500，超過500后系統(tǒng)降級(jí)深度檢查；用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)、流量控制信息和系統(tǒng)信息等配置降級(jí)工作規(guī)則。

2 系統(tǒng)工作流程

    本系統(tǒng)利用工控前置機(jī)進(jìn)行工作，工控前置機(jī)設(shè)置在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和被保護(hù)設(shè)備網(wǎng)段之間，外部設(shè)備向被保護(hù)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包被前置機(jī)截獲，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.1 深度檢測(cè)模塊

    嵌入在前置機(jī)設(shè)備內(nèi)的自適應(yīng)深度檢查方法處理所述數(shù)據(jù)包，按照0~5級(jí)控制順序，逐級(jí)檢測(cè)數(shù)據(jù)包是否合法：

    (1)判斷該數(shù)據(jù)包的IP地址、MAC地址是否合法，合法則進(jìn)入下一步，不合法則丟棄，并記錄日志；

    (2)解析數(shù)據(jù)包得到數(shù)據(jù)包的源端口、目的端口，判斷端口是否合法，合法進(jìn)入下一步，不合法丟棄，并記錄日志；

    (3)判斷數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型，根據(jù)用戶配置的協(xié)議控制要求，判斷該協(xié)議數(shù)據(jù)包的完整性、合法性，合法進(jìn)入下一步，不合法丟棄，并記錄日志；

    (4)根據(jù)協(xié)議類型，判斷該協(xié)議中某些字段，如功能碼控制、參數(shù)控制等是否合法，合法進(jìn)入下一步，不合法丟棄并記錄日志；

    (5)根據(jù)協(xié)議類型匹配預(yù)置規(guī)則庫匹配，合法進(jìn)入下一步，不合法丟棄并記錄日志；

    (6)對(duì)用戶自定義規(guī)則進(jìn)行批評(píng)，合法進(jìn)入下一步，不合法則丟棄并記錄日志。

2.2 自適應(yīng)檢測(cè)模塊

    設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)模塊周期性運(yùn)行檢查設(shè)備狀態(tài)，每5 s運(yùn)行一次，檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)包括并發(fā)用戶數(shù)、接口流量、內(nèi)存使用、進(jìn)程數(shù)、CPU占用，檢測(cè)到的結(jié)果提供給自適應(yīng)檢測(cè)模塊。

    自適應(yīng)檢測(cè)模塊接收到設(shè)備檢測(cè)模塊檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶配置到觸發(fā)條件，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)深度檢測(cè)級(jí)別：

    (1)設(shè)備狀態(tài)為：并發(fā)用戶數(shù)500、接口流量30 MB/s、內(nèi)存使用60%、進(jìn)程數(shù)50、CPU占用70%；

    (2)用戶配置可自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整觸發(fā)為真；

    (3)假設(shè)用戶配置的觸發(fā)條件為：

    ①并發(fā)用戶數(shù)<500、接口流量<20 MB/s、內(nèi)存使用

    <50%、進(jìn)程數(shù)<50、CPU占用<50%時(shí)，第二步深度檢測(cè)為完全檢測(cè)，即2.1節(jié)(1)~(6)完全步驟檢測(cè)；

    ②接口流量20~50 MB/s、CPU占用50%~80%時(shí), 第二步深度檢測(cè)為不完全檢測(cè)，即2.1節(jié)(1)~(5)不完全步驟檢測(cè)，降級(jí)減少用戶自定義規(guī)則匹配部分；

    ③接口流量50~100 MB/s、CPU占用80%~90%時(shí)深度檢測(cè)基本降級(jí)，第二步工作步驟設(shè)置為2.1節(jié)(1)~(4)；

    ④接口流量>100 MB/s、CPU大于95%時(shí)，采用不檢查機(jī)制，完全放行，或完全阻塞；

    (4)根據(jù)用戶配置條件，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整第二步工作步驟為2.1節(jié)(1)~(5)不完全檢測(cè)。

    這樣系統(tǒng)處理速度加快，待系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)，自適應(yīng)檢測(cè)算法會(huì)再一次調(diào)整到完全檢測(cè)狀態(tài)，防止系統(tǒng)因?yàn)槟骋粫r(shí)段過大的數(shù)據(jù)流量或設(shè)備高負(fù)載時(shí)造成設(shè)備宕機(jī)，引起系統(tǒng)癱瘓。

    (5)在用戶任務(wù)網(wǎng)絡(luò)不夠安全時(shí)，可設(shè)置可自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整觸發(fā)為假，系統(tǒng)不再進(jìn)行自適應(yīng)深度調(diào)整，則工作方式與一般工控防火墻一致。

3 測(cè)試對(duì)比

    在不使用本系統(tǒng)的工控前置機(jī)中，采用透明代理防火墻工作方式保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工控網(wǎng)絡(luò)，該前置機(jī)為內(nèi)存4 GB的1U設(shè)備，安裝一般防火墻軟件，在防火墻軟件中設(shè)定網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)最大500，接口流量最大為100 Mb/s；測(cè)試采用2臺(tái)PC，兩臺(tái)PC仿真客戶端與服務(wù)器之間的TCP通信過程。在保持舊的通信會(huì)話聯(lián)接仍有效的基礎(chǔ)上，以批量方式增加新的通信會(huì)話過程，通過調(diào)整批量的大小，測(cè)試裝有一般防火墻軟件前置機(jī)能支持的有效TCP并發(fā)連接速率，當(dāng)并發(fā)數(shù)量在每秒200左右時(shí)出現(xiàn)延遲，延遲最大為0.046 s，并發(fā)數(shù)量超過300每秒時(shí)，出現(xiàn)延遲最大為0.53 s，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作；

    采用本系統(tǒng)的前置機(jī)進(jìn)行測(cè)試，前置機(jī)為內(nèi)存4 GB的1U設(shè)備，測(cè)試方法相同。此時(shí)用戶設(shè)置深度檢測(cè)規(guī)則為200<并發(fā)用戶數(shù)<300時(shí)，采用自適應(yīng)深度調(diào)整，取消級(jí)別5的檢測(cè)；在300<并發(fā)用戶數(shù)<400時(shí)，取消級(jí)別4的檢測(cè)。測(cè)試時(shí)，在每秒220左右連接時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)延遲，系統(tǒng)自適應(yīng)深度檢測(cè)級(jí)別調(diào)整后，延遲消失；繼續(xù)增加并發(fā)數(shù)量超過320每秒時(shí)，再次出現(xiàn)延遲，延遲最大為0.025 s，系統(tǒng)再次自適應(yīng)調(diào)整，延遲消失；降低并發(fā)連接數(shù)到270時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整添加級(jí)別4的檢測(cè)。在整個(gè)過程中，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)延遲越來越嚴(yán)重的想象，不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓，且如果用戶關(guān)閉自適應(yīng)深度調(diào)整，本系統(tǒng)的工作方式將與防火墻等防護(hù)系統(tǒng)的工作方式一致，不會(huì)形成因自動(dòng)調(diào)整而降低安全策略的情況。

4 總結(jié)

    本文研究了基于自適應(yīng)深度檢測(cè)的工控安全防護(hù)系統(tǒng)，并提出了自適應(yīng)深度檢測(cè)的相關(guān)方法。采用對(duì)比測(cè)試的方法比較了傳統(tǒng)防火墻和本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，證明本研究可以提供一種自適應(yīng)深度檢測(cè)方法及系統(tǒng)，對(duì)安全防護(hù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)分析，避免造成設(shè)備癱瘓的情況。

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作者信息:

郭肖旺，閔曉霜，韓慶敏

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京100083)