工业控制系统安全

引言

工业控制网络（ICN）通常是由专用的硬件资源和通信网络组成，是单独的，孤立的系统，用于完成控制功能的计算资源（包括CPU计算时间和内存）是极其有限的，控制系统的设计需要满足可靠性、实时性和灵活性等需求。在工业控制网络的早期开发过程中，信息安全的问题还没有凸显出来，信息安全通常都不是一个重要的设计要求，因而为了提高性能要求和节约成本，通常都忽略了信息交互的考虑。此外，信息安全目标有时和控制系统的高可靠性和实时操作相冲突。

在整个工业控制网络技术体系中，基于SCADA系统（监视控制和数据采集系统）平台

的控制网络是一种使用较为广泛的工业控制网络，其综合集成了计算机网络、现代通信，微电子以及自动化技术，普遍应用于电力，供水、石油，天然气、轨道交通和化学工业领域，是国家关键基础设施的重要组成部分，关系到国家的战略安全。2007 年以来，世界各国政府和各种网络信息安全机构已经注意到工业SCADA系统网络的安全问题，纷纷开展了相关工作，如欧盟已经开展关于SCADA安全规范的标准讨论与制定。为保障工业SCADA系统网络的机密性，完整性。同时满足可用性，文中设计了一个安全服务框架，并讨论了该框架的具体细节。

一、工业SCADA系统网络结构

SCADA系统广泛应用于诸多行业，功能越来越强大，结构也越来越复杂。一般意义上，工业控制SCADA系统可分为3 层，如图1 所示。

图1：工业SCADA系统网络

第1 层为数据采集层，由RTU与一次仪表构成，完成现场原始数据的采集与预处理，而且根据设计需求还可以实现现场的数据存储，以保证通信中断后数据的连续性；

第2 层为SCADA系统通信网络层，由光纤、微波，卫星，GPRS，数传电台等信道组成，以实现远距离通信；

第3 层为SCADA控制端系统层，在此层实现对已采集数据的分析、整理，并根据需要实现多种形式的发布。业界很多公司分别在数据采集层，SCADA系统通信网络层、SCADA 控制端系统层都拥有极其稳定的产品和丰富的系统集成经验。

此外，根据工业控制网络的具体应用环境和规模，数据采集层会将SCADA信息数据

进行分布式处理，形成SCADA系统子站设备层，以减轻SCADA系统中心控制端的负载。

二、工业SCADA系统网络的常见安全威胁

工业自动控制领域使用较为普遍的、成熟的是与IP 网技术截然不同的工业控制网通信技术体系，如现场总线网通信系列、RS485总线通信、PLC网络通信等。虽然一些研究机

构新近提出了实时控制IP 网承载技术方案，但离广泛的应用尚存在一定差距。工业SCADA 系统网络的安全威胁主要来自外部与内部两个方面．外部威胁主要表现在外部攻击者通过非授权方式进入控制系统，对工业控制网络内部资源进行访问，造成机密信息的丢失或误用，危及工业过程安全，突出表现在篡改控制命令、伪造状态信息、传播病毒、关键时刻阻塞控制信道和导致系统不能正常运转等。内部威胁主要表现在网络自身故障，本地用户对设备控制系统的攻击与非法访问几个方面。

三、工业SCADA系统网络的防护技术及问题

3.1SCADA 系统网络安全现状

大型基础设施工业界通常把以非IP 网络的sCADA过程控制网络看成一个很大的黑箱，通过尽量把控制网络环境从IP 信息网络中分离出来，作为主要的保护工业SCADA系统

网络安全的方法。所以目前的网络安全现状如下：

①截止到2009 年，尚没有出现专门针对工业SCADA系统网络安全的，已发布的，确切的国际标准(ISO/IEC) ；

②一些国际组织开始发布与SCADA控制网络安全相关的协议规范讨论稿，但离形成标准推广应用存在的差距较大；

③越来越多

的来自工业自动控制领域的高校、科研院所、大型企业开始关注SCADA 网络的安全性，发表了一定数量的相关论文和报告；

④目前业界

关注工业控制领域的信息网络安全主要以工业以太网为焦点，以SCADA 系统为基础的工业控制网络相对较少。

3.2目前的SCADA系统网络安全防护方案面临的问题

从2009 年网络安全技术产品的最新发展看，对于使用TCP/IP 网络作为SCADA业务承载通道的工业控制网SCADA系统，国内外的信息安全公司已经研发出了相应的网络安全产品，并形成了相应的安全技术方案。

3.2.1 技术机制

技术机制包括VPN、密码机制，人像识别，访问控制、防病毒软件、登录认证、网络隔离技术等。

3.2.2主要能解决的问题

目前以IP 网络为基础的SCADA系统网络安全方案或产品，主要是保证实时SCADA

工业控制网络安全地接入Internet 外部信息网络。但是，现有的SCADA系统网络安全防护

方案面临的问题非常突出，如下所述：

①没有SCADA网络系统信息领域的国际标准；

②SCADA网络系统主要应用于实时控制系统，对网络延迟十分敏感；

③SCADA网络系统的应用领域复杂多样，如电力、供水、石油等，设备类型以及技术体制多种多样，很难找到一种统一的安全防护模式；

④工业控制网

络的终端节点设备并非完全属于微机设备，大多为单片机、PLC等，

很难支持加解密以及认证算法等运算重大的操作，或者会因此而降低设备处理速度；

⑤SCADA网络安全需求跟IT 信息网络安全需求不一样，SCADA网络是相对封闭的网络，面临的安全威胁与IP 网不一样；

⑥不能简单把并非针对SCADA网络而设计的传统IP 网络机制生硬地搬到SCADA网络，这会造成严重的后果。

四、安全服务框架

针对上文提出的工业SCADA系统网络的多种安全威胁和现有解决方案的不足，文中从SCADA系统安全体系以及设备的角度，提出了一种分布式的SCADA系统安全服务框架。该框架采用模块化设计，分布式的体系架构，通过对SCADA网络系统传输业务消息的认证、签名、报文过滤等，形成安全SCADA业务信息（指经过安全处理后的控制、测量，传感等消息），确保了工业SCADA系统网络和业务消息的安全性和可靠性。

4.1 安全服务框架的设计目标设计目标如下：

①安全性：综合采用消息认证，基于SCADA协议的包过滤技术，保证SCADA系统控制端与受控端节点通信的安全可靠，解决了传统的IP 网络安全方案无法适应非IP 技术的实时控制系统的问题；

②独立性：安全服务框架采用模块

化的设计，独立于SCADA系统的控制端和受控端

节点，易于兼容多种不同协议体制下的SCADA系统设备。安全服务框架的升级与维护等操作，能够独立于SCADA系统单独进行，同时，SCADA系统端节点设备本身的升级改造，也不会影响到安全服务框架。

4.2系统架构

安全服务框架介于SCADA系统控制端设备与受控端设备之间，采用点对点的部署模式，整体网络系统架构如图2 所示。