基于本體安全的工控系統(tǒng)安全現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，新的工業(yè)生產(chǎn)模式和新的產(chǎn)品形態(tài)下，需要對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)安全的內(nèi)涵和外延進(jìn)行重新審視和定義。本文在總結(jié)分析工控系統(tǒng)安全現(xiàn)狀和問(wèn)題基礎(chǔ)上，提出基于本體安全的工業(yè)控制系統(tǒng)安全思想方法和形式描述。

1引言

在《中國(guó)制造2025》、“工業(yè)4.0”背景下，面向用戶需求的服務(wù)模式創(chuàng)新對(duì)生產(chǎn)方式的變革要求，“按需定制”對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈乃至行業(yè)生態(tài)的要求越來(lái)越高，各類工業(yè)系統(tǒng)融合（互聯(lián)網(wǎng)化）趨勢(shì)愈加明確，打造跨行業(yè)跨區(qū)域的全產(chǎn)業(yè)生態(tài)形成共識(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵和外延逐步完善。相對(duì)封閉的工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍采用通用協(xié)議、硬軟件系統(tǒng)，并且與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，甚至是與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生了應(yīng)用對(duì)接。工業(yè)控制系統(tǒng)越來(lái)越開放，使傳統(tǒng)信息安全威脅逐漸向工控系統(tǒng)擴(kuò)散，同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)自動(dòng)化和信息化的發(fā)展和融合提出更高、更新的要求，也產(chǎn)生了新的非傳統(tǒng)信息安全問(wèn)題，工控系統(tǒng)安全面臨前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì)。

2工控系統(tǒng)安全現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

針對(duì)工控系統(tǒng)的安全防護(hù)，近年來(lái)出現(xiàn)很多產(chǎn)品和解決方案，在信息安全方面起到了一些作用，綜合而言，仍存在較大的問(wèn)題，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）工控安全解決方案基本集中在防護(hù)，而且是傳統(tǒng)信息安全技術(shù)的裁剪，并非量身定做;作用的對(duì)象主要是網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)，所謂的異常審計(jì)依據(jù)不完整數(shù)據(jù)集和流量，而非基于行業(yè)生產(chǎn)規(guī)則的行為分析。

（2）少數(shù)基于工控裝置的功能加強(qiáng)，也是從可用性增強(qiáng)，以達(dá)到高可靠性目的，采用的手段是冗余、容錯(cuò)和表決機(jī)制，成本翻番，對(duì)價(jià)格敏感的工業(yè)化生產(chǎn)顯然不適用。

（3）所謂縱深防御深度融合體系，貌似將信息安全防護(hù)措施集大成，問(wèn)題一是犧牲“實(shí)時(shí)性”，以時(shí)間換取空間;二是成本過(guò)高;三是防護(hù)過(guò)重過(guò)度。

（4）缺少針對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的安全測(cè)試、檢測(cè)、測(cè)評(píng)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系，且企業(yè)專業(yè)知識(shí)、業(yè)務(wù)能力、技術(shù)水平有限，造成防護(hù)措施的行業(yè)適配性差，難以開展針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)全景的安全態(tài)勢(shì)感知、分析、預(yù)警服務(wù)。

究其原因，目前的工控安全是把工控系統(tǒng)割裂開，而工控系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)部強(qiáng)耦合、關(guān)聯(lián)作用緊密的整體。信息安全廠商和控制廠商從各自的技術(shù)和理解出發(fā)，過(guò)分強(qiáng)調(diào)某個(gè)方面的安全，未能將功能安全、信息安全、過(guò)程安全，以及運(yùn)行管控安全等有機(jī)融合，造成現(xiàn)在的工控安全解決方案仍拘泥于“防護(hù)”，遵循傳統(tǒng)的信息安全分區(qū)隔離、邊界防護(hù)理念，未深入探究工控系統(tǒng)安全內(nèi)在的本質(zhì)的成因以及相互作用關(guān)系。

工控安全與傳統(tǒng)信息安全最大的不同是其基于業(yè)務(wù)和工藝，針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景，必須結(jié)合工藝業(yè)務(wù)要求進(jìn)行安全保障，簡(jiǎn)單以“零和思維”、“木桶理論”思 路或試圖用一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)思路來(lái)解決工控安全問(wèn)題都有失偏頗。

3 回歸工控系統(tǒng)安全本質(zhì)

工業(yè)控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)設(shè)備與工業(yè)過(guò)程控制部件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，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(yuǎn)程測(cè)控單元（RTU）、傳感/監(jiān)視/ 控制/診斷系統(tǒng)等，以及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形化界面、企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）等相關(guān)信息系統(tǒng)。工控系統(tǒng)安全涉及設(shè)備安全、功能安全、信息安全，覆蓋控制層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層和管理層，貫穿設(shè)計(jì)、研發(fā)、實(shí)施、運(yùn)維全生命周期。

從功能上可以分成生產(chǎn)功能和安全功能，生產(chǎn)功能包括生產(chǎn)運(yùn)行控制系統(tǒng)，包括基本過(guò)程控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)運(yùn)行控制系統(tǒng)等;安全功能包括安全儀表系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、安全保護(hù)控制系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)等。

安全的工業(yè)控制系統(tǒng)由工控系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)組成。所謂工業(yè)控制系統(tǒng)安全（大安全）就是工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在生命周期內(nèi)的功能安全可達(dá)性。從本質(zhì)而言，就是以實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)可用性為目標(biāo)，綜合運(yùn)用功能安全、信息安全等技術(shù)手段和防護(hù)措施，保障工業(yè)系統(tǒng)在生命周期內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的工業(yè)安全理論和單一的技術(shù)手段已經(jīng)不能保證工業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，只有建立基于行業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)則的新的理論和技術(shù)創(chuàng)新，才有可能解決工控系統(tǒng)的本質(zhì)安全。工控系統(tǒng)安全本質(zhì)圖如圖1所示。

圖1 工控系統(tǒng)安全本質(zhì)圖

4本體安全創(chuàng)新理論

鑒于工控裝置的“兩個(gè)有限”（合法狀態(tài)有限、合法指令有限）原則，在狀態(tài)可明確窮舉和每個(gè)狀態(tài)下合法指令有限條件下，執(zhí)行裝置和控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、接收和下發(fā)的指令都是可監(jiān)測(cè)和檢測(cè)的。無(wú)論是外部攻擊還是誤操作等任何原因造成的狀態(tài)異常以及非法指令、防危和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)都可知，可針對(duì)性采取告警、拒絕執(zhí)行（授權(quán)后）等措施，避免故障發(fā)生。

工控本體安全是面向工控安全的方法論，是一個(gè)方法的集合，也是技術(shù)的集合。充分利用工控大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建多級(jí)防危模型，實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)本體的安全， 依托三級(jí)本體實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)整體的主動(dòng)縱深防御：

· 設(shè)備作為個(gè)體，結(jié)合防危形成設(shè)備本體。防危模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行防危處理，同時(shí)將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)上傳至其所屬的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)本體系統(tǒng)，并根據(jù)規(guī)則在檢測(cè)到異常操作時(shí)，向用戶提供建議（存量）或者觸發(fā)設(shè)備自帶的安全處置功能（增量）;

· 設(shè)備本體結(jié)合關(guān)聯(lián)模式及信息安全模塊形成現(xiàn)場(chǎng)本體?，F(xiàn)場(chǎng)本體發(fā)揮承上啟下的作用，一方面接收來(lái)自設(shè)備本體的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主動(dòng)檢測(cè)下一級(jí)本體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警分析，另一方面，將現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，并接收來(lái)自系統(tǒng)動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)對(duì)專家知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)進(jìn)行調(diào)整;

· 現(xiàn)場(chǎng)本體結(jié)合系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知以及信息安全形成系統(tǒng)本體。系統(tǒng)本體接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)級(jí)本體的數(shù)據(jù)，進(jìn)行總體態(tài)勢(shì)感知，并將系統(tǒng)態(tài)勢(shì)下發(fā)到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)本體。

工控本體安全示意圖如圖2所示。

圖2 工控本體安全示意圖

依據(jù)工程控制論思想，設(shè)立設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)以及系統(tǒng)等三個(gè)層級(jí)的工控本體，利用信息安全、人工智能等技術(shù)，建立各級(jí)本體中工控個(gè)體的防危機(jī)制實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防御;通過(guò)分析工控組成個(gè)體的屬性及其關(guān)系，建立用于協(xié)同防御的關(guān)聯(lián)模式;通過(guò)對(duì)事件的態(tài)勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)全生命周期的安全防護(hù)。工業(yè)控制系統(tǒng)本體形式化定義如下：

工控系統(tǒng)G =（N，∑， P， S）

其中N={﹤系統(tǒng)本體﹥，﹤附現(xiàn)場(chǎng)本體集﹥，﹤ 現(xiàn)場(chǎng)本體﹥，﹤附設(shè)備本體集﹥，﹤設(shè)備本體﹥}

∑={﹤設(shè)備﹥，﹤防危﹥， ﹤關(guān)聯(lián)模式﹥，﹤防危 專家知識(shí)庫(kù)﹥，﹤信息安全﹥， ﹤態(tài)勢(shì)感知﹥，﹤空﹥}

S={﹤系統(tǒng)本體﹥}

規(guī)則集P：

﹤系統(tǒng)本體﹥→﹤附現(xiàn)場(chǎng)本體集﹥﹤現(xiàn)場(chǎng)本體﹥ ﹤態(tài)勢(shì)感知﹥﹤信息安全﹥

﹤附現(xiàn)場(chǎng)本體集﹥→﹤附現(xiàn)場(chǎng)本體集﹥﹤現(xiàn)場(chǎng)本 體﹥|﹤空﹥

﹤現(xiàn)場(chǎng)本體﹥→﹤附現(xiàn)場(chǎng)本體集﹥﹤附設(shè)備本體 集﹥﹤設(shè)備本體﹥﹤關(guān)聯(lián)模式﹥﹤防危專家知識(shí)庫(kù)﹥ ﹤信息安全﹥

﹤附設(shè)備本體集﹥→﹤附設(shè)備本體集﹥﹤設(shè)備本 體﹥|﹤空﹥

﹤設(shè)備本體﹥→﹤設(shè)備﹥ ﹤防危﹥

5基于行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的工控系統(tǒng)安全是未來(lái)發(fā)展方向

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能等技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響日益加深，自動(dòng)化和信息化的深度融合加快，將會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)方式帶來(lái)深刻變革，催生新的工控產(chǎn)品形態(tài)，需要對(duì)工控安全的內(nèi)涵和外延重新審視和定義。

基于前述背景，工控系統(tǒng)安全是保障工業(yè)業(yè)務(wù)穩(wěn)定開展的基石，但日益增長(zhǎng)的功能要求和技術(shù)全面融合，帶來(lái)的安全隱患也愈發(fā)凸顯和難以簡(jiǎn)單防護(hù)，傳統(tǒng)的信息安全和功能安全思路、技術(shù)和措施也愈發(fā)不適應(yīng)，不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展要求。

行業(yè)工藝不同造成設(shè)備間的差異，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的保密需求，都是工控安全要面對(duì)的障礙。其中蘊(yùn)含的知識(shí)是企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。每個(gè)行業(yè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、控制系統(tǒng)的要求都不一樣，這是由于工藝生產(chǎn)的不同要求造成的設(shè)備差異?；跇I(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的專用設(shè)備，要完成的功能也不相同。據(jù)此，對(duì)安全的要求也千差萬(wàn)別，極具“個(gè)性”。所以說(shuō)，工控安全就必須依據(jù)工藝業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)，不存在通用的 “靈丹妙藥”。

6結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，工控安全形勢(shì)嚴(yán)峻，缺少成熟的理論、核心技術(shù)體系和針對(duì)性解決方案、服務(wù)模式。歷年的工控安全事件說(shuō)明僅依靠現(xiàn)有的信息安全、功能安全防護(hù)措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在工控安全理論體系、 技術(shù)框架體系、產(chǎn)品譜系、咨詢測(cè)試測(cè)評(píng)評(píng)估系列服務(wù)、工控安全全面解決方案、工控安全工作長(zhǎng)效協(xié)作機(jī)制等方面，還有很長(zhǎng)的路要走。

從工控安全本質(zhì)出發(fā)，從業(yè)務(wù)特點(diǎn)出發(fā)，立足行業(yè)，融合自動(dòng)化、信息、安全等技術(shù)，針對(duì)存量、增量、服務(wù)，探索工控系統(tǒng)運(yùn)行安全的本質(zhì)機(jī)理，提出適用理論，研發(fā)安全的工控產(chǎn)品和防護(hù)產(chǎn)品，形成針對(duì)性解決方案，全面提高工控系統(tǒng)安全運(yùn)行的綜合保障能力，是一個(gè)可行的行動(dòng)路線。
編輯：hfy