1 工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀

　　工業(yè)控制系統(tǒng)的原始設(shè)計是以高可靠性， 高實時性，高控制性為目標進行設(shè)計安裝和運行的。其中影響系統(tǒng)安全性最大隱患莫過于內(nèi)部和外部干擾。隨著計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)普及和發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)包括（DCS、PLC、TCS、SCADA）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普及到工業(yè)產(chǎn)業(yè)的所有領(lǐng)域，其工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及其所承載的數(shù)據(jù)流、人機交互UI等空間載體所構(gòu)成工控系統(tǒng)所造成的安全威脅呈現(xiàn)隱蔽性高、危害性大乃至會影響到國家安全的特點。

　　目前，國內(nèi)外的工控制系統(tǒng)制造企業(yè)，對其工控系統(tǒng)安全性設(shè)計、制造、運行和維護，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標準和相關(guān)管理規(guī)定；同時，由于其工程實施和系統(tǒng)使用偏重于控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，對工控安全意識的淡薄和輕視，給國內(nèi)已經(jīng)部署的工控系統(tǒng)造成了很大的安全隱患。

　　主要表現(xiàn)在：

　　1、缺乏網(wǎng)絡(luò)技術(shù)常識、設(shè)計、施工和使用中只注重系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，未考慮其安全的需要和整體規(guī)劃。

　　2、缺乏工控安全意識，研發(fā)、設(shè)計、施工、運行和維護中，嚴重缺乏對安全的控制和執(zhí)行基本的安全管理規(guī)定。

　　3、工控安全的體系建設(shè)處于摸索和成長階段，其相關(guān)標準和管理規(guī)定未盡完善。

　　這就要求我們不斷的探索工控安全領(lǐng)域的未知，汲取經(jīng)驗和教訓，在探索中求得共識，在發(fā)展中取得進步。

　　2 工控安全研究的內(nèi)容和背景

　　2.1 背景及意義

　　工控安全，從世界范圍看， 作為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的領(lǐng)導者，美國很早就十分重視工控安全。2009年頒布《保護工業(yè)控制系統(tǒng)戰(zhàn)略》，涵蓋能源、電力、交通等14個行業(yè)工控系統(tǒng)的安全。而美國國家標準與技術(shù)研究院、能源局則分別發(fā)布了《工業(yè)控制系統(tǒng)安全指南》（SP800-82 2013年推出最新修訂版本）[NIST]、《改進SCADA網(wǎng)絡(luò)安全的21項措施》等相關(guān)的工控安全建設(shè)標準指南或最佳實踐文檔。同時其國內(nèi)的傳統(tǒng)信息安全廠商賽門鐵克、MCAFEE、思科以及傳統(tǒng)工控廠商羅克韋爾、通用電氣以及一些新興的專業(yè)安全廠商在工控的安全防護及產(chǎn)品服務(wù)提供方面也都展開了深入研究、實踐及產(chǎn)業(yè)化工作，并總體上處于領(lǐng)先的地位。

　　在歐洲則以德國西門子、法國施耐德電氣為代表的工業(yè)控制系統(tǒng)提供商為主；而工控系統(tǒng)的信息化、智能化以及所帶來安全問題的解決離不開工控廠商的支持，自然西門子等企業(yè)的市場和技術(shù)優(yōu)勢也將奠定未來很長一段時間內(nèi)在工控安全領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

　　在專業(yè)的工控安全廠商方面，加拿大Tofino（多芬諾）公司曾以其業(yè)內(nèi)著名的工控系統(tǒng)防火墻成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工控系統(tǒng)信息安全的專業(yè)廠商，其產(chǎn)品在石化等多個行業(yè)應(yīng)用廣泛?？浦Z康公司（Codenomicon）則以其用于漏洞發(fā)現(xiàn)的fuzzing 測試工具而在工控系統(tǒng)安全領(lǐng)域擁有重要的地位。

　　在國內(nèi)：自從工信部451號文發(fā)布之后，國內(nèi)各行各業(yè)都對工控安全的認識提高到一個新的高度。電力、石化、交通、制造、煙草等多個行業(yè)，陸續(xù)制定了相應(yīng)的指導性文件，來指導相應(yīng)行業(yè)的安全檢查與整改活動。國家標準相關(guān)的組織TC260、TC124等標準組也已經(jīng)啟動了相應(yīng)標準的研究制定工作，最新的網(wǎng)絡(luò)安全等級保護2.0對工控安全定級部分增加了明文規(guī)定。

　　在工控安全領(lǐng)域，一批致力于工控網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)設(shè)備國內(nèi)提供商，在設(shè)備研發(fā)上做出了巨大的努力。國內(nèi)的相關(guān)組織和行業(yè)機構(gòu)也正在為工控安全制定相應(yīng)的指導性文件。

　　在國內(nèi)相關(guān)行業(yè)中，供電及發(fā)電行業(yè)由于其行業(yè)的特點和重要性，在工控安全領(lǐng)域起步早，且已經(jīng)形成初步體系，但具體應(yīng)用案例尚未形成群體優(yōu)勢。在石油、化工、鋼鐵、煤礦、公共事業(yè)中的鐵路、地鐵、供水、供氣、供熱等涉及工控系統(tǒng)的行業(yè)，雖然起步晚，但其應(yīng)用規(guī)模和應(yīng)用范圍相比電力行業(yè)具有明顯的優(yōu)勢。

　　上述這些行業(yè)中，工控安全的重要性是不言而喻的。其行業(yè)的重要性、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的規(guī)模、信息共享的需要又造成了行業(yè)間工控系統(tǒng)信息安全應(yīng)用的不平衡。

　　北京能源集團有限責任公司，為了穩(wěn)妥的推進工控的安全和建設(shè)，選取必要的現(xiàn)實場景，對國內(nèi)的工控安全設(shè)備進行必要的實地驗證。依據(jù)集團京能集團辦字[2106]311號文件《關(guān)于合作建設(shè)工控系統(tǒng)信息安全實驗基地的批復》和中國信息協(xié)會信息安全專業(yè)委員會《關(guān)于開展CIES工控系統(tǒng)信息安全實驗基地方案測試工作的通知》；2016年4月9日中國信息協(xié)會信息安全專業(yè)委員會和北京華源熱力管網(wǎng)有限公司共同成立的“CIES工控系統(tǒng)信息安全實驗基地”在京舉行了揭牌儀式。

　　2017年夏季，共有四個國內(nèi)廠家的工控安全產(chǎn)品，在該實驗基地分別進行了測試和驗證，使大家對工控安全設(shè)備及其軟件系統(tǒng)功能等方面，有了一個比較深入的認識。無論是設(shè)備制造商和參加測試單位，對工控安全系統(tǒng)的認識得到了顯著的提高。在當前的背景下，具有現(xiàn)實的意義

　　2.2 集中控制系統(tǒng)安全所面臨的問題

　　不言而喻，工控集中控制系統(tǒng)相比于非集中控制系統(tǒng)的優(yōu)勢是非常明顯的，隨著國內(nèi)的DCS、SCADA等系統(tǒng)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，在一些特定的領(lǐng)域和條件下，將分散的DCS、SCADA等系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并將其控制權(quán)集中到一個控制中心，是一個非常有意義的選擇；其最大的特點是可以集中運行人員的技術(shù)優(yōu)勢，多數(shù)據(jù)源的集合和統(tǒng)計分析實現(xiàn)對工控系統(tǒng)優(yōu)化控制和調(diào)度；提高系統(tǒng)運行安全性和經(jīng)濟性。特別是在國家電網(wǎng)大力推廣‘泛在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)’的大背景下，不可避免的向工控安全提出了挑戰(zhàn)；從目前的實際情況分析，有如下幾個方面問題：

　　1、工控的安全具有失控風險

　　我們大家知道，工控安全在現(xiàn)今條件下，其安全維護人員面臨嚴重的缺位；人們只是關(guān)心系統(tǒng)正常運行和維護，對于其隱蔽性很強的安全威脅，對人員的技術(shù)素質(zhì)要求高。企業(yè)很難為其提供必要的崗位和合理的薪資。

　　2、工控安全設(shè)備和系統(tǒng)尚在探索和不斷完善階段

　　由于，工控系統(tǒng)的特殊性，一般認為，現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)普及的安全設(shè)備無法完全復制到工控；其安全分區(qū)理念所形成的那堵墻，如同一個高懸的大壩將整個工控與互聯(lián)進行了‘物理隔離’。使得一大批安全產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)前仆后繼去參加這“最后的盛宴”。走了很多的彎路，至今也無法形成一群體共識。

　　3、工控相關(guān)管理規(guī)定、制度和標準的缺失

　　工控安全最缺乏的是沒有一個具有針對性的管理制度或規(guī)定，盡管行業(yè)管理部門相繼推出一些指導性文件，但其可執(zhí)行度差，是不爭的事實；其相關(guān)指導性意見，涵蓋面大，有些具體措施又難于執(zhí)行，企業(yè)因此付出的成本又很高，造成工控安全工作，至今沒有形成規(guī)模性的部署，沒有為大家普遍接受。

　　3 工業(yè)集中控制系統(tǒng)安全的實踐

　　工業(yè)集中控制系統(tǒng)不同于一般的相對獨立的DCS、SCADA系統(tǒng)，其最大的特點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多，網(wǎng)絡(luò)層級多；冗余性要求高。

　　一般的DCS系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對簡單，一個網(wǎng)絡(luò)IP段就可完全滿足其實際的需要。其網(wǎng)絡(luò)核心不外乎兩個冗余核心交換機組成的上位監(jiān)控管理層和下位數(shù)據(jù)傳輸控制層；也有一些系統(tǒng)采用了環(huán)網(wǎng)或雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)組成了DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；如圖：

　　Scada系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一般遵循比較普遍的星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系；通過雙網(wǎng)冗余滿足對上位監(jiān)控管理層安全需求；其它下位數(shù)據(jù)采集和控制層（PLC或RTU）自成網(wǎng)絡(luò)體系和控制體系，通過網(wǎng)絡(luò)專線或數(shù)據(jù)加密認證傳輸實現(xiàn)組網(wǎng)。如圖：

　　從圖中我們可以看到，DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SCADA系統(tǒng)比較相對簡單，但冗余性高；DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少，SCADA系統(tǒng)網(wǎng)路節(jié)點多；DCS系統(tǒng)一般無需路由器或防火墻配置；SCADA系統(tǒng)一般需要路由器和防火墻配置；嚴格意義講SCADA系統(tǒng)就是一種集中控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

　　如何將多個DCS系統(tǒng)或是多個SCADA系統(tǒng)構(gòu)架成一個集中控制系統(tǒng)，其安全如何保障，是在我們面前的課題：

　　3.1 構(gòu)建DCS系統(tǒng)集控網(wǎng)絡(luò)所必備的條件

　　多個DCS系統(tǒng)構(gòu)建一個集中控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，必須具備如下幾個條件；

　　1、各個DCS系統(tǒng)必須進行網(wǎng)絡(luò)IP地址的統(tǒng)一規(guī)劃，要求在DCS系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計單位或設(shè)備提供商和業(yè)主單位就必須有一個統(tǒng)一的要求；否則，事后調(diào)整時，是一件耗時、耗人、耗資源得不償失的事。

　　2、在DCS系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)通訊線路，為了保證其有效冗余，要求其采用專有線路，并采用不同的路徑。集中控制中心網(wǎng)絡(luò)的冗余等級與dcs系統(tǒng)保持一致。

　　3、必須在集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與各DCS系統(tǒng)間增加網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，以實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)間相互訪問，不產(chǎn)地址沖突，便于集控系統(tǒng)的統(tǒng)一部署。

　　3.2 工業(yè)集中控制系統(tǒng)所必須的安全設(shè)備

　　工業(yè)集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點，要求我們必須在集中控制網(wǎng)絡(luò)與各DCS系統(tǒng)間增加防火墻（工業(yè)防火墻），其主要目的是為了在保證集中控制網(wǎng)絡(luò)與各DCS系統(tǒng)間正常通訊的前提下，通過其路由和策略的配置，實現(xiàn)各DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間，不因各自的網(wǎng)絡(luò)故障和安全風險波及到集控或其它DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。對于各獨立的DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和集控網(wǎng)絡(luò)，目前的做法是，通過各網(wǎng)絡(luò)交換機的鏡像功能，部署探針設(shè)備，將其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行采集和分析；實現(xiàn)對其各個DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視。某些情況下，當控制數(shù)據(jù)需要上傳到管理的時候，按照國家現(xiàn)有的要求，一般設(shè)置隔離網(wǎng)閘，實現(xiàn)對工控與管理的單向隔離。

　　3.3 工業(yè)集中控制系統(tǒng)所必須的安全策略

　　3.3.1 工控防火墻的安全策略：

　　作為工控網(wǎng)絡(luò)邊界安全設(shè)備，其安全策略規(guī)劃和配置合理是確保邊界安全的關(guān)鍵，一般工業(yè)級防火墻應(yīng)具有如下功能：

　　1、防火墻兼具路由功能，客觀上可以實現(xiàn)了對ip地址訪問進行路由限制；一般的規(guī)則是只允許集中控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與各DCS系統(tǒng)可控的設(shè)備實現(xiàn)路由訪問，但各DCS系統(tǒng)間，不能通過集中控制網(wǎng)絡(luò)進行相互訪問。

　　2、工業(yè)防火墻在集中控制網(wǎng)絡(luò)與Dcs系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊時，具有典型的病毒傳輸攔截功能和網(wǎng)絡(luò)攻擊行為過濾功能；

　　3、防火墻在集中控制網(wǎng)絡(luò)與Dcs系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊時進行通訊協(xié)議和端口限制；一般情況下，可采用白名單或黑名單進行控制。

　　4、防火墻在集中控制網(wǎng)絡(luò)與Dcs系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊時對IP源、目地址進行限制；可采用白名單或黑名單進行控制。

　　3.3.2 網(wǎng)絡(luò)探針的安全策略：

　　與防火墻的主動防御不同，網(wǎng)絡(luò)探針完成的被動防御；通過網(wǎng)絡(luò)鏡像數(shù)據(jù)的解析分析，在病毒層，通訊協(xié)議和端口，以及源、目的IP地址，通過白名單或黑名單實現(xiàn)對過網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時分析；當發(fā)現(xiàn)問題時，以報警或報告的方式通知維護人員。

　　3.3.3 單向隔離網(wǎng)閘的安全策略：

　　單向隔離網(wǎng)閘的安全策略比較簡單，只是包括其網(wǎng)閘源側(cè)IP源、目的及端口號；網(wǎng)閘目的側(cè)ip源、目地及端口號；

　　3.3.4 工控安全集中管理平臺：

　　考慮到工業(yè)集中控制系統(tǒng)安全設(shè)備多，部署地域不集中。部署安全集中管控設(shè)備用于實現(xiàn)對整個集中控制網(wǎng)絡(luò)安全空間的安全設(shè)備和管理是十分必要的。目前，工業(yè)態(tài)勢感知安全產(chǎn)品和橫空出世，也契合工控領(lǐng)域安全管理的實際需要；包括工控集控系統(tǒng)安全設(shè)備的管理功能；工業(yè)安全集中管理平臺應(yīng)可以遠程管理部署其網(wǎng)絡(luò)中的探針設(shè)備和防火墻，統(tǒng)一登陸管理各設(shè)備的參設(shè)配置和系統(tǒng)日志查詢功能；發(fā)現(xiàn)資產(chǎn)和可利用率分析功能；

　　1、各探針和防火墻的非正常數(shù)據(jù)處理和展示功能；態(tài)勢分析和統(tǒng)計報表功能；

　　2、集控安全設(shè)備自身的管理功能，網(wǎng)絡(luò)拓撲和設(shè)備運行狀態(tài)分析功能；

　　3.3.5 單向隔離網(wǎng)閘

　　單向隔離網(wǎng)閘是工控與管理的邊界防護設(shè)備，其具有數(shù)據(jù)單向傳輸1bit回位的特征；一般情況下，采用其標準配置即可。

　　3.4 實例分析

　　下圖：為某企業(yè)集中監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖。

　　從圖中我們可以看出，該集中監(jiān)控系統(tǒng)分為兩部分：一是基于三套DCS系統(tǒng)的集中控制部分；二是基于98套PLC系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)集中監(jiān)控部分；現(xiàn)分別說明；

　　3.4.1 DCS集中控制系統(tǒng)架構(gòu)：

　　該集中控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由兩臺核心交換機組成冗余雙網(wǎng)，配備6臺操作員站和一臺工程師站實現(xiàn)對下屬一套本地、兩套異地的DCS系統(tǒng)的集中控制；每套DCS系統(tǒng)由兩臺上位核心交換機和下位數(shù)臺數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備組成冗余雙網(wǎng)；每套DCS系統(tǒng)配備了操作員站和工程師站；

　　SCADA系統(tǒng)作為單網(wǎng)系統(tǒng)，為了保證實現(xiàn)與DCS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互通過防火墻與集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)；三套DCS系統(tǒng)分通過本地雙絞線、聯(lián)通和移動SDH光纖、自建遠程雙環(huán)網(wǎng)分別通過兩臺工業(yè)防火墻實現(xiàn)與集中控制網(wǎng)路的冗余連接。

　　每套DCS系統(tǒng)的兩臺核心交換機上部署了一套網(wǎng)絡(luò)鏡像探針設(shè)備；其數(shù)據(jù)傳輸回路借用了B網(wǎng)進行傳輸。集中控制系統(tǒng)探針由一套網(wǎng)絡(luò)鏡像探針設(shè)備與SCADA核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共用。

　　3.4.2 SCADA集中控制系統(tǒng)架構(gòu)

　　SCADA集中控制系統(tǒng)由上位核心交換機組成單網(wǎng)，其下位由不同區(qū)域98套PLC系統(tǒng)組成，每套PLC配備一臺IPsecVPN防火墻，通過聯(lián)通4M匯聚網(wǎng)絡(luò)與SCADA IPsecVPN防火墻實現(xiàn)隧道連接；另外五套DCS系統(tǒng)通過單條網(wǎng)絡(luò)光纖專線與SCADA IPsecVPN防火墻實現(xiàn)連接實現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)向SCADA系統(tǒng)傳送；將另外一套數(shù)據(jù)干線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）的數(shù)據(jù)通過單環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)與SCADA IPsecVPN防火墻實現(xiàn)連接，實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳送。；

　　在SCADA網(wǎng)絡(luò)上，通過接口服務(wù)器與一臺單向隔離網(wǎng)閘實現(xiàn)向上級單位MES進行單向數(shù)據(jù)傳送。

　　3.4.3 工控安全集中管理平臺架構(gòu)

　　實現(xiàn)將兩臺工控防火墻和4臺網(wǎng)絡(luò)探針設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過借用DCS系統(tǒng)B網(wǎng)和專用網(wǎng)絡(luò)，將安全設(shè)備和數(shù)據(jù)匯聚到一個虛擬專網(wǎng)，在專網(wǎng)上部署一套工業(yè)安全集中管理平臺；用于對安全設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)趨勢分析。

　　4 結(jié)論

　　工控安全是關(guān)系國計民生的重大戰(zhàn)略問題，在當今形勢下，如何對工控行防護，防止來自內(nèi)部、外部的安全威脅和惡意攻擊，是工控安全領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。本文在CIES工控實驗基地所取得成果的基礎(chǔ)上，以三套DCS系統(tǒng)進行集中控制位核心，將SCADA系統(tǒng)與其它系統(tǒng)混合構(gòu)建一套數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段實現(xiàn)工控安全系統(tǒng)的部署。

　　工控的安全保障，任重而道遠；工控安全的實踐使我們對其整體建設(shè)思路和后續(xù)發(fā)展方向有了一個清晰的認識；為今后類似系統(tǒng)的建設(shè)提供了依據(jù)。對于進一步增強工控安全，建立健全的安全防護體系，具有重大的推動作用。