工業(yè)控制系統(tǒng)安全體系架構與管理平臺
一、工業(yè)控制系統(tǒng)安全分析
工業(yè)控制系統(tǒng)(industrialcontrolsystems,ics)，是由各種自動化控制組件和實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測的過程控制組件共同構成。其組件包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(scada)、分布式控制系統(tǒng)(dcs)、可編程邏輯控制器(plc)、遠程終端(rtu)、智能電子設備(ied)，以及確保各組件通信的接口技術。
典型的ics控制過程通常由控制回路、hmi、遠程診斷與維護工具三部分組件共同完成，控制回路用以控制邏輯運算，hmi執(zhí)行信息交互，遠程診斷與維護工具確保ics能夠穩(wěn)定持續(xù)運行。
1.1工業(yè)控制系統(tǒng)潛在的風險
1.操作系統(tǒng)的安全漏洞問題
由于考慮到工控軟件與操作系統(tǒng)補丁兼容性的問題，系統(tǒng)開車后一般不會對windows平臺打補丁，導致系統(tǒng)帶著風險運行。
2.殺毒軟件安裝及升級更新問題
用于生產控制系統(tǒng)的windows操作系統(tǒng)基于工控軟件與殺毒軟件的兼容性的考慮，通常不安裝殺毒軟件，給病毒與惡意代碼傳染與擴散留下了空間。
3.使用u盤、光盤導致的病毒傳播問題。
由于在工控系統(tǒng)中的管理終端一般沒有技術措施對u盤和光盤使用進行有效的管理，導致外設的無序使用而引發(fā)的安全事件時有發(fā)生。
4.設備維修時筆記本電腦的隨便接入問題
工業(yè)控制系統(tǒng)的管理維護，沒有到達一定安全基線的筆記本電腦接入工業(yè)控制系統(tǒng)，會對工業(yè)控制系統(tǒng)的安全造成很大的威脅。
5.存在工業(yè)控制系統(tǒng)被有意或無意控制的風險問題
如果對工業(yè)控制系統(tǒng)的操作行為沒有監(jiān)控和響應措施，工業(yè)控制系統(tǒng)中的異常行為或人為行為會給工業(yè)控制系統(tǒng)帶來很大的風險。
6.工業(yè)控制系統(tǒng)控制終端、服務器、網(wǎng)絡設備故障沒有及時發(fā)現(xiàn)而響應延遲的問題
對工業(yè)控制系統(tǒng)中it基礎設施的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，是工業(yè)工控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎。
1.2“兩化融合”給工控系統(tǒng)帶來的風險
工業(yè)控制系統(tǒng)最早和企業(yè)管理系統(tǒng)是隔離的，但近年來為了實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集與生產控制，滿足“兩化融合”的需求和管理的方便，通過邏輯隔離的方式，使工業(yè)控制系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)可以直接進行通信，而企業(yè)管理系統(tǒng)一般直接連接internet，在這種情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)接入的范圍不僅擴展到了企業(yè)網(wǎng)，而且面臨著來自internet的威脅。
同時，企業(yè)為了實現(xiàn)管理與控制的一體化，提高企業(yè)信息化合綜合自動化水平，實現(xiàn)生產和管理的高效率、高效益，引入了生產執(zhí)行系統(tǒng)mes，對工業(yè)控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)進行了集成，管理信息網(wǎng)絡與生產控制網(wǎng)絡之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。導致生產控制系統(tǒng)不再是一個獨立運行的系統(tǒng)，而要與管理系統(tǒng)甚至互聯(lián)網(wǎng)進行互通、互聯(lián)。
1.3工控系統(tǒng)采用通用軟硬件帶來的風險
工業(yè)控制系統(tǒng)向工業(yè)以太網(wǎng)結構發(fā)展，開放性越來越強。基于tcp/ip以太網(wǎng)通訊的opc技術在該領域得到廣泛應用。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)系統(tǒng)集成和使用的便利性，大量使用了工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和opc通信協(xié)議進行了工業(yè)控制系統(tǒng)的集成;同時，也大量的使用了pc服務器和終端產品，操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫也大量的使用了通用的系統(tǒng)，很容易遭到來自企業(yè)管理網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的病毒、木馬、黑客的攻擊。
二、工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護設計
通過以上對工業(yè)控制系統(tǒng)安全狀況分析，我們可以看到，工控系統(tǒng)采用通用平臺，加大了工控系統(tǒng)面臨的安全風險，而“兩化融合”和工控系統(tǒng)自身的缺陷造成的安全風險，主要從兩個方面進行安全防護。
通過“三層架構，二層防護”的體系架構，對工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)進行分層、分域、分等級，從而對工控系統(tǒng)的操作行為進行嚴格的、排他性控制，確保對工控系統(tǒng)操作的唯一性。
通過工控系統(tǒng)安全管理平臺，確保hmi、管理機、控制服務工控通信設施安全可信。
2.1構建“三層架構，二層防護”的安全體系
工業(yè)控制系統(tǒng)需要進行橫向分層、縱向分域、區(qū)域分等級進行安全防護，否則管理信息系統(tǒng)、生產執(zhí)行系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)處于同一網(wǎng)絡平面，層次不清，你中有我、我中有你。來自于管理信息系統(tǒng)的入侵或病毒行為很容易對工控系統(tǒng)造成損害，網(wǎng)絡風暴和拒絕式服務攻擊很容易消耗系統(tǒng)的資源，使得正常的服務功能無法進行。
2.1.1工控系統(tǒng)的三層架構
一般工業(yè)企業(yè)的信息系統(tǒng)，可以劃分為管理層、制造執(zhí)行層、工業(yè)控制層。在管理信層與制造執(zhí)行系統(tǒng)層之間，主要進行身份鑒別、訪問控制、檢測審計、鏈路冗余、內容檢測等安全防護;在制造執(zhí)行系統(tǒng)層和工業(yè)控制系統(tǒng)層之間，主要避免管理層直接對工業(yè)控制層的訪問，保證制造執(zhí)行層對工業(yè)控制層的操作唯一性。工控系統(tǒng)三層架構如下圖所示：
通過上圖可以看到，我們把工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)劃分為三個層次，分別是計劃管理層、制造執(zhí)行層、工業(yè)控制層。
管理系統(tǒng)是指以erp為代表的管理信息系統(tǒng)(mis)，其中包含了許多子系統(tǒng)，如：生產管理、物質管理、財務管理、質量管理、車間管理、能源管理、銷售管理、人事管理、設備管理、技術管理、綜合管理等等，管理信息系統(tǒng)融信息服務、決策支持于一體。
制造執(zhí)行系統(tǒng)(mes)處于工業(yè)控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間，主要負責生產管理和調度執(zhí)行。通過mes，管理者可以及時掌握和了解生產工藝各流程的運行狀況和工藝參數(shù)的變化，實現(xiàn)對工藝的過程監(jiān)視與控制。
工業(yè)控制系統(tǒng)是由各種自動化控制組件和實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測的過程控制組件共同構成。主要完成加工作業(yè)、檢測和操控作業(yè)、作業(yè)管理等功能。
2.1.2工控系統(tǒng)的二層防護
1、管理層與mes層之間的安全防護
管理層與mes層之間的安全防護主要是為了避免管理信息系統(tǒng)域和mes(制造執(zhí)行)域之間數(shù)據(jù)交換面臨的各種威脅，具體表現(xiàn)為：避免非授權訪問和濫用(如業(yè)務操作人員越權操作其他業(yè)務系統(tǒng));對操作失誤、篡改數(shù)據(jù)，抵賴行為的可控制、可追溯;避免終端違規(guī)操作;及時發(fā)現(xiàn)非法入侵行為;過濾惡意代碼(病毒蠕蟲)。
也就是說，管理層與mes層之間的安全防護，保證只有可信、合規(guī)的終端和服務器才可以在兩個區(qū)域之間進行安全的數(shù)據(jù)交換，同時，數(shù)據(jù)交換整個過程接受監(jiān)控、審計。管理層與mes層之間的安全防護如下圖所示：
2、mes層與工業(yè)控制層之間的安全防護
通過在mes層和生產控制層部署工業(yè)防火墻，可以阻止來自企業(yè)信息層的病毒傳播;阻擋來自企業(yè)信息層的非法入侵;管控opc客戶端與服務器的通訊，實現(xiàn)以下目標：
區(qū)域隔離及通信管控：通過工業(yè)防火墻過濾mes層與生產控制層兩個區(qū)域網(wǎng)絡間的通信，那么網(wǎng)絡故障會被控制在最初發(fā)生的區(qū)域內，而不會影響到其它部分。
實時報警：任何非法的訪問，通過管理平臺產生實時報警信息，從而使故障問題會在原始發(fā)生區(qū)域被迅速的發(fā)現(xiàn)和解決。
mes層與工業(yè)控制層之間的安全防護如下圖所示：
