0 引言

    在現(xiàn)有技術(shù)中，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全防護一般采取逐層防護的方式部署，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)場層網(wǎng)絡(luò)入口)設(shè)置特定的防護措施，以阻斷攻擊，實現(xiàn)對安全等級最高的現(xiàn)場層的保護。傳統(tǒng)防火墻是專家根據(jù)經(jīng)驗實現(xiàn)設(shè)定好過濾規(guī)則^[1-2]，以實現(xiàn)系統(tǒng)的安全防護，需要預(yù)先定義各種總線協(xié)議及防護規(guī)則，通過對每種應(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)層對數(shù)據(jù)報進行監(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。其過濾規(guī)則是由網(wǎng)絡(luò)安全專家根據(jù)經(jīng)驗和已有的知識設(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，使得防護設(shè)備成為安全防護的瓶頸。尤其是在防護設(shè)備的CPU資源占用較多、接口流量過大時，處理速度過慢，安全防護設(shè)備成為響應(yīng)瓶頸，對一切數(shù)據(jù)進行過濾分析導致速度過慢，數(shù)據(jù)交換有較大的時延,不適應(yīng)工控系統(tǒng)的實時性要求，嚴重影響工控現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，甚至造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，無法動態(tài)地適應(yīng)現(xiàn)場情況，進而造成無法彌補的損失。

    本文研究基于自適應(yīng)深度檢測的工控安全防護系統(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)深度檢測方法及系統(tǒng)，對安全防護設(shè)備的實際情況進行動態(tài)自適應(yīng)分析，根據(jù)用戶配置和防護設(shè)備的狀態(tài)動態(tài)調(diào)整安全防護級別，避免造成設(shè)備癱瘓的情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    如圖1所示，基于自適應(yīng)深度檢測的工控安全防護系統(tǒng)包含6個模塊：網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊、設(shè)備狀態(tài)檢測模塊、工控協(xié)議數(shù)據(jù)包深度檢測模塊、自適應(yīng)檢測模塊、用戶配置子系統(tǒng)、日志管理子系統(tǒng)。本系統(tǒng)安裝在工控前置機上工作，工控前置機安裝在被保護設(shè)備的上游，需提前配置網(wǎng)絡(luò)信息和保護規(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、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽服務(wù)、會話管理、內(nèi)存池管理、接口管理等功能。

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

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

    ①協(xié)議識別是根據(jù)協(xié)議端口、動態(tài)端口檢測等識別工控協(xié)議；

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

    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)檢測調(diào)整模塊：根據(jù)用戶配置的檢測級別適應(yīng)規(guī)則，自動按照系統(tǒng)狀態(tài)進行深度檢測的自適應(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：自適應(yīng)算法檢測指標（并發(fā)用戶數(shù)、接口流量、內(nèi)存使用、進程數(shù)、CPU占用）；前置機設(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；工控防護自適應(yīng)級別配置；端口控制配置。

    (6)日志管理子系統(tǒng)：日志審計部分記錄系統(tǒng)運行日志、安全防護日志、訪問日志、安全監(jiān)控日志等，審計的內(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，每一條審計日志至少應(yīng)包括事件發(fā)生的日期、時間、源IP、目的IP、協(xié)議、事件描述和結(jié)果。

1.1 設(shè)備狀態(tài)檢測模塊

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

    算法步驟如下：

    (1)響應(yīng)時間，檢測對請求作出響應(yīng)所需要的時間；

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

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

    (4)檢測服務(wù)器或操作系統(tǒng)性能的一些數(shù)據(jù)指標，如使用內(nèi)存數(shù)、進程時間等。

1.2 工控協(xié)議數(shù)據(jù)包深度檢測模塊

    深度檢測分為不同的檢測級別，從0～5共6個級別，級別0為最低。定義如下：

    0級：基于IP、MAC地址的網(wǎng)絡(luò)訪問控制；

    1級：流量控制、端口控制；

    2級：協(xié)議控制、完整性檢查、合法性檢查等；

    3級：功能碼控制、參數(shù)控制；

    4級：預(yù)置規(guī)則庫匹配控制；

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

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

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

    (2)根據(jù)檢測級別，獲取匹配的檢測順序，該檢測順序按照級別從低到高，不允許跨級檢測；

    (3)檢測網(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)包端口號過濾；

    (5)識別協(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，檢測協(xié)議中的各個數(shù)據(jù)位；

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

1.3 自適應(yīng)檢測調(diào)整模塊

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

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

2 系統(tǒng)工作流程

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

2.1 深度檢測模塊

    嵌入在前置機設(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級控制順序，逐級檢測數(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，合法進入下一步，不合法丟棄并記錄日志；

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

2.2 自適應(yīng)檢測模塊

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

    自適應(yīng)檢測模塊接收到設(shè)備檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶配置到觸發(fā)條件，動態(tài)調(diào)節(jié)深度檢測級別：

    (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%、進程數(shù)50、CPU占用70%；

    (2)用戶配置可自適應(yīng)動態(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%、進程數(shù)<50、CPU占用<50%時，第二步深度檢測為完全檢測，即2.1節(jié)(1)~(6)完全步驟檢測；

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

    ③接口流量50~100 MB/s、CPU占用80%~90%時深度檢測基本降級，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，采用不檢查機制，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)當時的設(shè)備狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整第二步工作步驟為2.1節(jié)(1)~(5)不完全檢測。

    這樣系統(tǒng)處理速度加快，待系統(tǒng)恢復正常時，自適應(yīng)檢測算法會再一次調(diào)整到完全檢測狀態(tài)，防止系統(tǒng)因為某一時段過大的數(shù)據(jù)流量或設(shè)備高負載時造成設(shè)備宕機，引起系統(tǒng)癱瘓。

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

3 測試對比

    在不使用本系統(tǒng)的工控前置機中，采用透明代理防火墻工作方式保護現(xiàn)場工控網(wǎng)絡(luò)，該前置機為內(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；測試采用2臺PC，兩臺PC仿真客戶端與服務(wù)器之間的TCP通信過程。在保持舊的通信會話聯(lián)接仍有效的基礎(chǔ)上，以批量方式增加新的通信會話過程，通過調(diào)整批量的大小，測試裝有一般防火墻軟件前置機能支持的有效TCP并發(fā)連接速率，當并發(fā)數(shù)量在每秒200左右時出現(xiàn)延遲，延遲最大為0.046 s，并發(fā)數(shù)量超過300每秒時，出現(xiàn)延遲最大為0.53 s，嚴重影響現(xiàn)場工作；

    采用本系統(tǒng)的前置機進行測試，前置機為內(nèi)存4 GB的1U設(shè)備，測試方法相同。此時用戶設(shè)置深度檢測規(guī)則為200<并發(fā)用戶數(shù)<300時，采用自適應(yīng)深度調(diào)整，取消級別5的檢測；在300<并發(fā)用戶數(shù)<400時，取消級別4的檢測。測試時，在每秒220左右連接時，系統(tǒng)出現(xiàn)延遲，系統(tǒng)自適應(yīng)深度檢測級別調(diào)整后，延遲消失；繼續(xù)增加并發(fā)數(shù)量超過320每秒時，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，系統(tǒng)自動調(diào)整添加級別4的檢測。在整個過程中，系統(tǒng)不會出現(xiàn)延遲越來越嚴重的想象，不會造成系統(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系統(tǒng)的工作方式一致，不會形成因自動調(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)深度檢測的工控安全防護系統(tǒng)，并提出了自適應(yīng)深度檢測的相關(guān)方法。采用對比測試的方法比較了傳統(tǒng)防火墻和本系統(tǒng)的測試結(jié)果，證明本研究可以提供一種自適應(yīng)深度檢測方法及系統(tǒng)，對安全防護設(shè)備的實際情況進行動態(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)集團有限公司第六研究所，北京100083)