在工業(yè)網(wǎng)絡安全領域，可編程邏輯控制器(PLC)傳統(tǒng)上被認為先天不安全。但一項新的安全計劃總結(jié)出了PLC編程的20個最佳實踐，旨在將PLC重新構(gòu)建為工業(yè)過程中的最后一道網(wǎng)絡安全防線。這個由一群網(wǎng)絡安全專家和自動化工程師創(chuàng)建的開源項目，總結(jié)了TOP20關(guān)于在工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生安全事件或錯誤配置時改進PLC彈性的建議。該項開源目成果由ISA(國際自動化協(xié)會)全球網(wǎng)絡安全聯(lián)盟于6月15日正式發(fā)布，供自動化工程師在編程PLC執(zhí)行物理過程時使用，如控制流體溫度和開啟/關(guān)閉工廠或設施中的閥門或閘門。人們希望PLC廠商最終能在其產(chǎn)品中加入或提供模板，以幫助客戶在為其設備編程時能夠采用最佳實踐。這些實踐可指導工程師和技術(shù)人員對PLC進行編程和維護，而不是直接指導OT安全。有些實踐對于有編碼經(jīng)驗的人來說很熟悉，比如第8條，驗證HMI輸入變量，使它們在有效的操作范圍內(nèi)(這肯定會阻止2021年2月份Oldsmar自來水廠的攻擊命令，無論從HMI發(fā)送什么)。第13條，禁用不需要/未使用的通信端口和協(xié)議是減少攻擊面的經(jīng)典方法。項目成果類似于應用程序安全編碼的最佳實踐，如Microsoft的安全開發(fā)生命周期(SDL)或OWASP的安全編碼實踐。它利用設備的實時操作和它們狹窄而具體的任務作為安全性和彈性的超級能力。這份成果的貢獻者描述道:“我們試圖將PLC——通常被視為自動化工廠的致命弱點——變成工廠的分布式、無情的保鏢，每個(后門)門前都有一個?！卑驳劭萍颊幵擁椖康南嚓P(guān)成果和背景，供工業(yè)網(wǎng)絡安全行業(yè)學習參考。

　　一 安全的PLC編程實踐TOP20概述

　　1.模塊化PLC代碼

　　將PLC代碼分成模塊，使用不同的功能塊（子例程），獨立測試模塊。

　　2.跟蹤操作模式

　　保持PLC處于RUN模式。如果PLC不處于RUN模式，應該向操作人員發(fā)出警報。

　　3.在可行的情況下，將操作邏輯留在PLC中

　　將盡可能多的操作邏輯，如求和或累積，直接留在PLC中。HMI沒有得到足夠的更新來做到這一點。

　　4.使用PLC標志作為完整性檢查

　　在PLC錯誤標記上放置計數(shù)器來捕獲任何數(shù)學問題。

　　5.對PLC代碼使用加密和/或校驗和實施完整性檢查

　　使用加密散列（如果加密散列不可用，則使用校驗和XX？）來檢查PLC代碼的完整性，并在更改時發(fā)出警報。

　　6.驗證計時器和計數(shù)器

　　如果計時器和計數(shù)器的值被寫入PLC程序，它們應該被PLC驗證是否合理，并驗證向后計數(shù)低于零。

　　7.對成對的輸入/輸出進行驗證和警報

　　如果有成對的信號，請確保兩個信號沒有同時斷言。當出現(xiàn)物理上不可行的輸入/輸出狀態(tài)時，向操作員發(fā)出警報?？紤]使成對信號獨立或添加延遲計時器時切換輸出可能損害執(zhí)行器。

　　8.不僅在人機界面，而且在PLC層面驗證人機界面輸入變量

　　HMI對PLC變量的訪問可以（也應該）限制在HMI的有效操作值范圍內(nèi)，但應在PLC中添加進一步的交叉檢查，以防止或警告HMI中編程可接受范圍之外的值。

　　9.間接驗證

　　通過對陣列末端投毒來驗證間接指令，以捕捉柵欄柱（fence-post）錯誤。

　　10.通過函數(shù)分配指定的寄存器塊（讀/寫/驗證）

　　為特定函數(shù)分配指定的寄存器塊以驗證數(shù)據(jù)，避免緩沖區(qū)溢出和阻塞未授權(quán)的外部寫操作，以保護控制器數(shù)據(jù)。

　　11.真實性檢查工具

　　通過交叉檢查不同的測量值，以允許合理性檢查的方式來測量過程。

　　12.基于物理合理性驗證輸入

　　確保操作人員只能輸入在過程中實際可行的或物理上可行的內(nèi)容。為操作設置一個定時器，使其持續(xù)時間達到它實際需要的時間。當出現(xiàn)偏差時，考慮發(fā)出警報。當出現(xiàn)意外的不活動時也要發(fā)出警報。

　　13.禁用不需要/不用的通信端口和協(xié)議

　　PLC控制器和網(wǎng)絡接口模塊一般支持默認開啟的多種通信協(xié)議。禁用應用程序不需要的端口和協(xié)議。

　　14.限制第三方數(shù)據(jù)接口

　　限制第三方接口的連接類型和可用數(shù)據(jù)。應該對連接和/或數(shù)據(jù)接口進行良好定義，并將其限制為只允許所需數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x/寫功能。

　　15.定義一個在PLC重新啟動時的安全進程狀態(tài)

　　定義在PLC重新啟動情況下過程的安全狀態(tài)（例如，通電、斷電或保持以前的狀態(tài)）。

　　16.總結(jié)PLC的運行周期并在人機界面上進行趨勢分析

　　每2-3秒?yún)R總PLC的周期時間，并報告給人機界面以圖形顯示。

　　17 .記錄PLC的運行時間并在人機界面上進行趨勢分析

　　記錄PLC的正常運行時間，以知道它何時重新啟動。記錄HMI上的正常運行時間的日志和趨勢，以進行診斷。

　　18.在人機界面上記錄PLC硬停止和趨勢

　　存儲因故障或關(guān)機導致的PLC硬停止事件，由HMI報警系統(tǒng)檢索，在PLC重新啟動之前咨詢。時間同步更準確的數(shù)據(jù)。

　　19.在人機界面上監(jiān)控PLC內(nèi)存的使用情況并進行趨勢分析

　　測量并為部署在生產(chǎn)環(huán)境中的每個控制器的內(nèi)存使用情況提供基線，并在HMI上對其進行趨勢分析。

　　20.捕捉關(guān)鍵警報的假陰性和假陽性

　　識別關(guān)鍵警報并為這些警報設置門限（trap）。設置trap以監(jiān)控任何偏差的觸發(fā)條件和警報狀態(tài)。

　　二 PLC安全編程實踐TOP20項目背景

　　多年來，可編程邏輯控制器（PLC）的設計一直不安全的。經(jīng)過幾年的定制和應用IT的最佳實踐，出現(xiàn)了安全協(xié)議、加密通信、網(wǎng)絡隔離等。然而，到目前為止，還沒有關(guān)注如何使用PLC（或SCADA/DCS）的特性來實現(xiàn)安全性，或者如何在考慮安全性的情況下對PLC進行編程。這個項目—受現(xiàn)有的IT安全編碼實踐啟發(fā)—填補了這一空白。

　　本項目的最初動議始于安全專家杰克·布羅斯基（Jake Brodsky）2020年4月1日在S4x20上題為“PLC的安全編碼實踐”的演講。

　　會后，OT安全專家Dale Peterson發(fā)起了Top 20項目。杰克·布羅斯基和莎拉·弗拉奇斯通過電話，花了幾個小時將杰克提議的PLC安全編碼實踐付諸實施。

　　之后，Dale、Jake、Sarah在ISA GCA的支持下，于top20.isa.org上建立了一個平臺，來組織和收集來自ICS安全和工程師社區(qū)的額外意見建議。

　　討論和鞏固實踐文本，并策劃一份最相關(guān)的前20個實踐清單花了大約一年的時間；Vivek Ponnada加快了這個過程，他不僅貢獻并審查了內(nèi)容，還組織了定期電話交流，直到所有關(guān)于實踐的評論都得到解決，Mohamed Abdelmoez Sakesli在一次大的努力中添加了所有的標準參考文獻，MITRE CWE團隊在最后一刻提供了CWE參考文獻等等，前后大約有70多人參與了這一項目。

　　大多數(shù)實踐是特定于PLC/過程的。其中5種實踐與記錄、趨勢和對周期時間和內(nèi)存使用等事項的監(jiān)視/警報有關(guān)，這些事項在PLC中通常是一致的。這可以檢測到攻擊，也可以檢測到NIST對網(wǎng)絡事件的寬泛定義。

　　有一些驗證實踐超出了輸入變量，在ICS世界中更常見。成對輸入就是一個很好的例子。不能同時打開和關(guān)閉，也不能同時正反跑。

　　有許多實踐涉及到PLC編程，如配置寄存器、PLC標志的使用、完整性檢查等等。每個實踐都有文檔頁，更詳細地描述實踐，提供示例，列出好處，以及IEC 62443和MITRE ATT&CK用于ICS參考。

　　三 PLC安全編碼實踐TOP20的價值

　　現(xiàn)在TOP20編碼實踐已發(fā)布，需要讓工程師接受培訓并使用它們。坦率地說，這與可能閱讀本文的OT安全人員是不同的群體，這代表了一個挑戰(zhàn)。國際自動化協(xié)會的全球網(wǎng)絡安全聯(lián)盟（ISAGCA）正在努力促進這些做法，這是令人鼓舞和有益的。ISA服務于工程界。眼下需要找到其他途徑來傳播信息，項目組歡迎任何建議。一些可能的推廣應用方式包括：

　　將TOP20列表整合到現(xiàn)有的專業(yè)和學術(shù)培訓計劃中，或創(chuàng)建一個新的前20名安全PLC編碼實踐課程（許可證允許對這個列表的任何使用）。

　　在RFP（意見征求）中包含TOP20 實踐清單作為需求，并編寫相關(guān)的驗收測試。

　　成為一個倡導者，幫助教育其所在領域的工程師。

　　若為供應商，請將這些內(nèi)容包含在安全部署指南中，并盡可能包含在默認設置中。

　　為Top 20團隊提供更多的實踐示例和文檔。

　　項目中實施并訓練團隊。

　　目前發(fā)布的是1.0版。雖然項目團隊在此方面做了出色工作，但在隨后的版本中會有所改進。正常情況下，團隊將開始檢查評論和建議改進。起草過程也為Level 1環(huán)境、HMI和其他ICS元素產(chǎn)生了一些良好實踐。

　　一個有趣的問題是，這樣做是否能阻止勒索軟件。當然，答案是否定的。他們將減少PLC相關(guān)的全因網(wǎng)絡事件數(shù)量。

　　1、PLC安全編碼規(guī)范的適用對象

　　這些實踐是為工程師編寫的。這個項目目的是為正在創(chuàng)建軟件（梯形邏輯、功能圖等）的工程師提供指導方針，以幫助改善工業(yè)控制系統(tǒng)的安全態(tài)勢。這些實踐利用了PLC/DCS中的本地可用功能，實現(xiàn)這些實踐幾乎不需要額外的軟件工具或硬件。它們都能適應正常的PLC編程和操作流程。實現(xiàn)這些實踐需要的不僅僅是安全專業(yè)知識，還需要對要保護的PLC、它們的邏輯和底層流程有良好的了解。

　　2、這個列表的范圍/你如何定義PLC編碼？

　　為了符合TOP20安全PLC編碼實踐列范圍，實踐需要直接對PLC進行更改。讀者在本文檔中看到的是大量潛在安全PLC編碼實踐的TOP20選擇。還有一些與總體架構(gòu)、人機界面或文檔相關(guān)的其他草案實踐。這些不適合安全PLC編碼范圍，但可以出現(xiàn)在未來的安全PLC環(huán)境清單上。

　　3、應用安全PLC編碼實踐的收益

　　使用這些實踐顯然具有安全優(yōu)勢——主要是減少攻擊面，或者在發(fā)生安全事件時更快地進行故障排除。然而，許多實踐除了安全性之外還有其他好處。一些還令PLC代碼變得更可靠，更容易調(diào)試和維護，更容易溝通，可能也更精簡。此外，安全的PLC編碼實踐可保證用戶即使在發(fā)生惡意攻擊的情況下，也能使PLC代碼更健壯，能夠承受意外錯誤配置或人為錯誤。

　　四 小結(jié)

　　PLC編程實踐TOP20在一群熱心的網(wǎng)絡安全專家和自動化專家努力下出籠了，這一初步的成果與過程和I/O設計有關(guān)，這可能是未來多方關(guān)注的主題。這些編程工具和技巧并不是能夠在大多數(shù)控制系統(tǒng)敘述文檔中所能找到。設計過程的人關(guān)注的是如何讓過程工作，以及如何處理一些非常基本的故障模式。他們沒有詳細討論PLC應該做什么，他們甚至不知道如何處理需要斷開網(wǎng)絡連接以處理安全問題的情況。雖然這些技巧不能保護OT系統(tǒng)免遭真正的惡意利用，但至少它們不會給用戶留下細微的不可思議的漏洞。以2021年2月入侵佛羅里達州奧茲瑪市（Oldsmar）供水系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)為例，將氫氧化鈉的劑量設置到11100 ppm的高得離譜的值本來是不可能的。PLC本應該拒絕這個數(shù)值，但它沒有。為什么PLC不直接忽略它從人機界面收到的信息？因為它沒有配置或編程這樣做，但PLC編程語言中的功能可以做到這一點。然而，集成商或工程師可能沒有想到有人會故意這樣設置?？此坪唵危瑓s沒有做到。PLC編程實踐TOP20將在實踐中發(fā)展完善，助力OT系統(tǒng)本質(zhì)安全能力和價值的實現(xiàn)。