一、引言

　　“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下，“工業(yè)4.0”系統(tǒng)高度集成了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等眾多新形態(tài)的信息技術(shù)，這些都是實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”智能化的基礎(chǔ)，是一項(xiàng)復(fù)雜的大型系統(tǒng)工程。從傳感感知層、通信傳輸層、應(yīng)用層到智能分析系統(tǒng)，“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)產(chǎn)品越來(lái)越多地采用通用協(xié)議、通用硬件和通用軟件，以各種方式與互聯(lián)網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)連接。工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施在享受開(kāi)放、互聯(lián)技術(shù)帶來(lái)的進(jìn)步與益處的同時(shí)，也面臨越來(lái)越嚴(yán)重的安全威脅，病毒、木馬等威脅正在向工業(yè)控制系統(tǒng)擴(kuò)散，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全問(wèn)題日益突出。近年來(lái)，隨著越來(lái)越多的工業(yè)信息安全事件的出現(xiàn)，我國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中關(guān)鍵應(yīng)用或系統(tǒng)的故障將可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡、帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、基礎(chǔ)設(shè)施被破壞、危及公眾生活及國(guó)家安全、環(huán)境災(zāi)難等嚴(yán)重后果。

　　近十幾年來(lái)，我國(guó)卷煙生產(chǎn)歷經(jīng)多次大規(guī)模的技術(shù)改造，其各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化技術(shù)水平已經(jīng)走在國(guó)內(nèi)制造業(yè)，甚至國(guó)際煙草企業(yè)的前列。很多國(guó)際領(lǐng)先的自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，像Profinet、EtherNet/IP等進(jìn)入中國(guó)都是率先在煙草制造業(yè)中應(yīng)用。因此，中國(guó)煙草企業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化程度都非常高。但是，這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用在迅速提升煙草企業(yè)生產(chǎn)力的同時(shí)也為它們埋下了極大的安全隱患。本文結(jié)合煙草行業(yè)分析了當(dāng)前“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)的安全漏洞，并結(jié)合“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多芬諾工業(yè)防火墻的“測(cè)試”模式功能，詳細(xì)介紹了“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)信息安全的縱深防御策略，致力于建立一個(gè)“本質(zhì)安全”的工業(yè)控制網(wǎng)，從而解決了困擾各公司的控制系統(tǒng)信息安全隱患，保證了企業(yè)各裝置控制系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

　　二、“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)信息安全現(xiàn)狀分析

　　近十年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化在我們企業(yè)中的應(yīng)用取得了飛速發(fā)展。一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中大量采用通用TCP/IP技術(shù)，ICS網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)管理網(wǎng)的聯(lián)系越來(lái)越緊密。另一方面，傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)采用專用的硬件、軟件和通信協(xié)議，設(shè)計(jì)上基本沒(méi)有考慮互聯(lián)互通所必須考慮的通信安全問(wèn)題。企業(yè)管理網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)的防護(hù)功能都很弱或者甚至幾乎沒(méi)有隔離功能。因此在工控系統(tǒng)開(kāi)放的同時(shí)，也減弱了控制系統(tǒng)與外界的隔離，工控系統(tǒng)的安全隱患問(wèn)題日益嚴(yán)峻。系統(tǒng)中任何一點(diǎn)受到攻擊都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

　　2.1　“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)的安全漏洞

　　（ 1 ） 通信協(xié)議漏洞

　　兩化融合和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得TCP/IP協(xié)議和OPC協(xié)議等通用協(xié)議越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，隨之而來(lái)的通信協(xié)議漏洞問(wèn)題也日益突出。例如，OPC Classic協(xié)議（OPC UA，OPC HAD和OPCA&E）基于微軟的DCOM協(xié)議，DCOM協(xié)議是在網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題被廣泛認(rèn)識(shí)之前設(shè)計(jì)的，極易受到攻擊，并且OPC通訊采用不固定的端口號(hào)，導(dǎo)致目前幾乎無(wú)法使用傳統(tǒng)的IT防火墻來(lái)確保其安全性。因此確保使用OPC通訊協(xié)議的“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)的安全性和可靠性給工程師帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

　　（ 2 ） 操作系統(tǒng)漏洞

　　目前大多數(shù)“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)的工程師站/操作站/HMI都是基于Windows平臺(tái)的，為保證過(guò)程控制系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通常現(xiàn)場(chǎng)工程師在系統(tǒng)開(kāi)車后不會(huì)對(duì)Windows平臺(tái)安裝任何補(bǔ)丁，但不安裝補(bǔ)丁，系統(tǒng)就存在被攻擊的可能，從而埋下安全隱患。

　　（ 3 ） 安全策略和管理流程漏洞

　　追求可用性而犧牲安全，是很多“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)存在的普遍現(xiàn)象，缺乏完整有效的安全策略與管理流程也給“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)信息安全帶來(lái)了一定的威脅。例如“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)中移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，包括筆記本電腦、U盤等設(shè)備的使用和不嚴(yán)格的訪問(wèn)控制策略。

　　（ 4 ） 殺毒軟件漏洞

　　為了保證工控應(yīng)用軟件的可用性，許多工控系統(tǒng)操作站通常不會(huì)安裝殺毒軟件。即使安裝了殺毒軟件，在使用過(guò)程中也有很大的局限性。原因在于使用殺毒軟件很關(guān)鍵的一點(diǎn)是，其病毒庫(kù)需要不定期的經(jīng)常更新，這一要求尤其不適合于工業(yè)控制環(huán)境。而且殺毒軟件對(duì)新病毒的處理總是滯后的，導(dǎo)致每年都會(huì)爆發(fā)大規(guī)模的病毒攻擊，特別是新病毒的攻擊。

　　（ 5 ） 應(yīng)用軟件漏洞

　　由于應(yīng)用軟件多種多樣，很難形成統(tǒng)一的防護(hù)規(guī)范以應(yīng)對(duì)安全問(wèn)題；另外，當(dāng)應(yīng)用軟件面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，就必須開(kāi)放其應(yīng)用端口。因此常規(guī)的IT防火墻等安全設(shè)備很難保障其安全性。互聯(lián)網(wǎng)攻擊者很有可能會(huì)利用一些大型工程自動(dòng)化軟件的安全漏洞獲取諸如污水處理廠、天然氣管道以及其他大型設(shè)備的控制權(quán)，一旦這些控制權(quán)被不良意圖黑客所掌握，那么后果不堪設(shè)想。

　　2.2　“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)的安全防御措施要求

　　一般來(lái)說(shuō)，公司的IT部門人員了解信息安全相關(guān)知識(shí)，但并不了解過(guò)程控制系統(tǒng)。而且傳統(tǒng)IT環(huán)境和工控系統(tǒng)環(huán)境之間存在著一些關(guān)鍵不同，例如，控制系統(tǒng)通常需要每周7天，每天24小時(shí)的長(zhǎng)期運(yùn)行。因此控制系統(tǒng)的特殊功能要求可能使原本合格的安全技術(shù)變得沒(méi)有效果。所以，簡(jiǎn)單地將IT安全技術(shù)配置到工控系統(tǒng)中并不是高效可行的解決方案。

　　國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-99明確指出目前工業(yè)控制領(lǐng)域普遍認(rèn)可的安全防御措施要求如表1所示。即將具有相同功能和安全要求的控制設(shè)備劃分到同一區(qū)域，區(qū)域之間執(zhí)行管道通信，通過(guò)控制區(qū)域間管道中的通信內(nèi)容來(lái)確保“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)信息安全。

　　2.3　“縱深防御”策略

　　“縱深防御”策略嚴(yán)格遵循ANSI/ISA-99標(biāo)準(zhǔn)，是提高“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)信息安全的最佳選擇。建立“縱深防御”的最有效方法是采用ANSI/ISA-99.02.01和IEC-63443標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)級(jí)防護(hù)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的安全區(qū)，在安全區(qū)之間按照一定規(guī)則安裝防火墻。

　　建立“縱深防御”策略的兩個(gè)主要目標(biāo)。

　　（ 1 ） 即使在某一點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)安全事故，也能保證裝置或工廠的正常安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，我們認(rèn)為最可怕的是病毒的急速擴(kuò)散，它會(huì)瞬間令整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。該防護(hù)目標(biāo)在于當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)局部存在病毒感染或者其它不安全因素時(shí)，不會(huì)向其它設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散，從而保證裝置或工廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　（ 2 ） 工廠操作人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地確認(rèn)故障點(diǎn)，并排除問(wèn)題。怎樣能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的感染及其他問(wèn)題，準(zhǔn)確找到故障的發(fā)生點(diǎn)，是維護(hù)控制系統(tǒng)信息安全的前提。

　　三、“工業(yè)4.0”控制系統(tǒng)信息安全的縱深防御

　　3.1　工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及安全區(qū)域的劃分

　　從總體結(jié)構(gòu)上來(lái)講，工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為三個(gè)層次：企業(yè)管理層、數(shù)采信息層和控制層。企業(yè)管理層主要是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，一般使用通用以太網(wǎng)，可以從數(shù)采信息層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。數(shù)采信息層主要是從控制層獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能。控制層負(fù)責(zé)通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制等各種功能。

　　系統(tǒng)的每一個(gè)安全漏洞都會(huì)導(dǎo)致不同的后果，所以將它們單獨(dú)隔離防護(hù)十分必要。對(duì)于額外的安全性和可靠性要求，在主要的安全區(qū)還可以根據(jù)操作功能進(jìn)一步劃分成子區(qū)。這樣一旦發(fā)生信息安全事故，就能大大提高工廠生產(chǎn)安全運(yùn)行的可靠性，同時(shí)降低由此帶來(lái)的其他風(fēng)險(xiǎn)及清除費(fèi)用。

　　將企業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分成不同的區(qū)域可以幫助企業(yè)有效地建立“縱深防御”策略，參照ANSI/ISA-99標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合工業(yè)系統(tǒng)的安全需要，可以將工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)劃分為下列不同的安全區(qū)域，如圖1所示。企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、過(guò)程信息與歷史數(shù)據(jù)區(qū)域、管理與HMI區(qū)域、DCS與PLC控制區(qū)域、第三方控制系統(tǒng)區(qū)域。

　　圖1 工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全區(qū)域的劃分

　　3.2　基于縱深防御策略的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全

　　針對(duì)企業(yè)流程工業(yè)的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于縱深防御策略，創(chuàng)建“本質(zhì)安全”的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)需要以下五個(gè)層面的安全防護(hù)，如圖2所示。

　　圖2 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的縱深防御結(jié)構(gòu)

　　（ 1 ） 企業(yè)管理層和數(shù)采監(jiān)控層之間的安全防護(hù)

　　在企業(yè)管理層和數(shù)采監(jiān)控層之間加入防火墻，一方面提升了網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分，另一方面更重要的是只允許兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間合法的數(shù)據(jù)交換，阻擋企業(yè)管理層對(duì)數(shù)采監(jiān)控層的未經(jīng)授權(quán)的非法訪問(wèn)，同時(shí)也防止管理層網(wǎng)絡(luò)的病毒感染擴(kuò)散到數(shù)采網(wǎng)絡(luò)。考慮到企業(yè)管理層一般采用通用以太網(wǎng)，要求較高的通訊速率和帶寬等因素，對(duì)此部位的安全防護(hù)建議使用常規(guī)的IT防火墻。

　　（ 2 ） 數(shù)采監(jiān)控層和控制層之間的安全防護(hù)

　　該部位通常使用OPC通訊協(xié)議，由于OPC通訊采用不固定的端口號(hào)，使用傳統(tǒng)的IT防火墻進(jìn)行防護(hù)時(shí)，不得不開(kāi)放大規(guī)模范圍內(nèi)的端口號(hào)。在這種情況下，防火墻提供的安全保障被降至最低。因此，在數(shù)采監(jiān)控層和控制層之間應(yīng)安裝專業(yè)的工業(yè)防火墻，解決OPC通訊采用動(dòng)態(tài)端口帶來(lái)的安全防護(hù)瓶頸問(wèn)題，阻止病毒和任何其它的非法訪問(wèn)，這樣來(lái)自防護(hù)區(qū)域內(nèi)的病毒感染就不會(huì)擴(kuò)散到其他網(wǎng)絡(luò)，提升網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分能力的同時(shí)從本質(zhì)上保證了網(wǎng)絡(luò)通訊安全。

　　（ 3 ） 保護(hù)關(guān)鍵控制器

　　考慮到和控制器之間的通訊一般都采用制造商專有工業(yè)通訊協(xié)議，或者其它工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，如Modbus等，由于常規(guī)的IT防火墻和網(wǎng)閘等安全防護(hù)產(chǎn)品都不支持工業(yè)通訊協(xié)議，因此，對(duì)關(guān)鍵控制器的保護(hù)應(yīng)使用專業(yè)的工業(yè)防火墻。一方面對(duì)防火墻進(jìn)行規(guī)則組態(tài)時(shí)只允許制造商專有協(xié)議通過(guò)，阻擋來(lái)自操作站的任何非法訪問(wèn)；另一方面可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊流量進(jìn)行管控，可以指定只有某個(gè)專有操作站才能訪問(wèn)指定的控制器；第三方面也可以管控局部網(wǎng)絡(luò)的通訊速率，防止控制器遭受網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴及其它攻擊的影響，從而避免控制器死機(jī)。

　　（ 4 ） 隔離工程師站，保護(hù)APC先控站

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中存在的工程師站和APC先控站，考慮到工程師站和APC節(jié)點(diǎn)在項(xiàng)目實(shí)施階段通常需要接入第三方設(shè)備（U盤、筆記本電腦等），而且是在整個(gè)控制系統(tǒng)開(kāi)車的情況下實(shí)施，受到病毒攻擊和入侵的概率很大，存在較高的安全隱患。

　　在工程師站和APC先控站前端增加工業(yè)防火墻，可以將工程師站和APC節(jié)點(diǎn)單獨(dú)隔離，防止病毒擴(kuò)散，保證了網(wǎng)絡(luò)的通訊安全。

　　（ 5 ） 和第三方控制系統(tǒng)之間的安全防護(hù)

　　使用工業(yè)防火墻將SIS安全儀表系統(tǒng)等第三方控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，主要是為了確保兩個(gè)區(qū)域之間數(shù)據(jù)交換的安全，管控通訊數(shù)據(jù)，保證只有合法可信的、經(jīng)過(guò)授權(quán)的訪問(wèn)和通訊才能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信管道。同時(shí)也提升了網(wǎng)絡(luò)安全區(qū)域劃分能力，有效地阻止了病毒感染的擴(kuò)散。

　　3.3　報(bào)警管理平臺(tái)

　　報(bào)警管理平臺(tái)的功能包括集成系統(tǒng)中所有的事件和報(bào)警信息，并對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行等級(jí)劃分。提供實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警細(xì)目查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

　　報(bào)警管理平臺(tái)還負(fù)責(zé)捕獲現(xiàn)場(chǎng)所有安裝有工業(yè)防火墻的通訊信道中的攻擊，并詳細(xì)顯示攻擊來(lái)自哪里、使用何種通信協(xié)議、攻擊目標(biāo)是誰(shuí)，以總攬大局的方式為工廠網(wǎng)絡(luò)故障的及時(shí)排查、分析提供了可靠依據(jù)。

　　3.4　“測(cè)試”模式

　　系統(tǒng)工程師可以利用多芬諾工業(yè)防火墻提供的“測(cè)試”模式功能，在真正部署防火墻之前，在真實(shí)工廠操作環(huán)境中對(duì)防火墻規(guī)則進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)分析確認(rèn)每一條報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)全面的控制功能，從而確保工控需求的完整性和可靠性。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全問(wèn)題已迫在眉睫，本文針對(duì)企業(yè)流程工業(yè)的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和安全需求以及多芬諾工業(yè)防火墻提供的“測(cè)試”模式功能，提出工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的縱深防御策略，即參照國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-99，將工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的安全區(qū)域，在區(qū)域之間執(zhí)行管道通信，從而通過(guò)管控區(qū)域間管道中的通信內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)保證工廠控制網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行的三個(gè)目標(biāo)：通訊可控、區(qū)域隔離和報(bào)警追蹤，進(jìn)而全方位地保障工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全。