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工业控制系统安全综述

文档作者：陶耀东1 2 李宁1 曾广圣1 文档来源： 1.中国科学院大学沈阳计算技术研究所2.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司		点击数：	更新时间： 2021年05月12日
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Computer Engineering and 2016，52（13） Applications计算机工程与应用
1 引言
工业控制系统（ICS）是指用于操作、控制、辅助自动
化工业生产过程的设备、系统、网络以及控制器的集合[1]。
包括数据监控与采集系统（SCADA）、分布式控制系统
（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、智能终端、人机交互
接口（HMI）等系统[2]。被广泛应用在工业控制领域，包
括化工化学、制药、食品/饮料、水电能源、石油、天然气、
离散制造、自动化生产、交通、航空航天等，在国家基础
设施中扮演着至关重要的角色，是关乎国计民生的重要
资源。
随着计算机和网络技术的发展，信息化与工业化深
度融合以及物联网的快速发展，工业控制系统产品越来
越多地采用通用协议、通用硬件和通用软件。网络化浪
潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无
线技术等新兴技术融合进来，从而拓展了工业控制的发
展空间，带来新的发展机遇；同时也带来了工业控制系
工业控制系统安全综述
陶耀东1，2，李宁1，曾广圣1
TAO Yaodong1，2, LI Ning1, ZENG Guangsheng1
1.中国科学院大学沈阳计算技术研究所，沈阳110168
2.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，沈阳110168
1.Shenyang Institute of Computing Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168, China
2.Shenyang Institute of Computing Technology Co., Ltd., Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168, China
TAO Yaodong, LI Ning, ZENG Guangsheng. Review of industrial control systems security. Computer Engineering
and Applications, 2016, 52（13）：8-18.
Abstract：Industrial Control System（ICS）as the core of the national infrastructure control equipment, the security affects
national economy and people’s livelihood. After the Stuxnet virus outbreak, it gradually attracts national, business and strategic
security people attention. This paper analyzes the structure and assets, vulnerability, threats, security countermeasures and
risk assessment five aspects of industrial control system. It provides a four-levels-function security management model which
imitates the immune system, and then elaborates the defense in depth, firewall, abnormal examination, Conpot, secure remote
access and management strategy. The paper points out that ICS security will become the greatest opportunity and challenge
to the smart city, smart manufacturing, industrial 4.0 and other emerging technologies. Finally, according to the domestic
industrial security plan, it makes recommendations for industrial security and looks forward ICS security prospects.
Key words：Industrial Control System（ICS）; Control Systems Honeypot（Conpot）; security; defense-in-depth
摘要：工业控制系统（ICS）作为国家基础设施的核心控制设备，其安全关系国计民生。震网（Stuxnet）病毒爆发以
后，工控安全逐渐引起国家、企业、战略安全人士的高度重视。总结分析了工控系统的结构资产、脆弱性、存在的威
胁、安全措施与风险评估等内容；提出了四层功能的仿免疫系统的安全管理模型，并重点分析其中的关键防御技术，
例如深度防御、防火墙、异常检查、Conpot（Control Systems Honeypot）、安全远程访问以及管理策略；指出工控系统
安全将会是智慧城市、智慧制造与工业4.0 等新兴技术的发展契机与最大挑战；最后结合国内工控安全布局规划，给
出工控安全建议，并展望未来的发展前景。
关键词：工业控制系统（ICS）；Conpot 系统；安全；深度防御
文献标志码：A 中图分类号：TP39 doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1602-0207
基金项目：沈阳市2014 年科技计划项目（No.F14-056-7-00）；“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（No.2013ZX04007031）。
作者简介：陶耀东（1981—），男，博士，副研究员，硕士生导师，研究方向为计算机应用、数控技术，E-mail：taoyd@sict.ac.cn；李宁
（1991—），男，硕士研究生，研究方向为计算机技术、嵌入式技术；曾广圣（1990—），男，硕士研究生。
收稿日期：2016-03-01 修回日期：2016-04-30 文章编号：1002-8331（2016）13-0008-11
8
2016，52（13）
统的信息安全等问题[3]。作为国家战略组成，工控系统
安全关系国家战略安全。如图1（a）和（b）（根据RISI 数
据库，采用SPSS 统计（1982 至2015 年1 月））发生在工控
领域的安全事件与涉及的工业行业，数量不多，但每一
事件都造成巨大损失。以伊朗的震网Stuxnet 为例，此
次事件造成20%的离心机报废，3 万台终端感染，相继在
很多国家工控设备中发现震网病毒。
美国、欧盟工控安全研究起步早，取得较大成果。
尤其是美国，起步早，研究内容全面，发布的标准文献、
指导性文献大都出现第三代更新版；国土安全部成立
ICS-CERT（工控安全应急小组），建设有包括爱达荷国
家实验室、桑迪亚国家实验室、太平洋西北国家实验室
等六家工业控制系统安全研究重点实验室，NIST 制定
标准NIST SP800-82、NIST800-53 等，且在不断地更新
标准以适用新的安全局势。欧盟网络与信息安全局制
定专刊《保护工业控制系统》，被称为是欧盟工控安全研
究的集大成者[4]；国际电工委员会（IEC）制定标准
IEC62443，用以指导ICS 安全建设。
我国工控安全研究起步晚，呈现出点状发展，底子
薄弱的特点。点状发展表现为，研究机构企业分散，
2014 年虽有很多企业和机构开始专门研究ICS 安全，但
都是孤军奋战；底子薄弱表现为，核心设备全靠进口，工
控安全研究起步晚，大部分靠参考国外的标准，如文献[5]
提出的纵深防御可在NIST SP800-82 中找到原型。虽
然，近两年出现一些工控安全的研究单位和企业，但是
都没有形成权威性的机构，还不能与国际顶尖的研究团
队比肩。
本文从工控系统的结构资产、脆弱性、存在的威胁、
安全措施与风险评估等五个方面介绍国内外工控安全
研究的进展，并重点就其中的深度防御、防火墙、异常检
测、Conpot、安全远程访问与管理策略等进行评述，最后
结合国内工控安全布局规划，对工控安全提出建议，并
展望未来的发展前景。
2 工业控制系统资产（ICS Asset）与安全需求
PAS（Human Reliability Company）公司指出，你不
能保证你没看见的东西处于安全状态。工业控制系统
逻辑范围广，应用软件多，涉及硬件复杂，生产设备与
生产环境多样，一旦遭到破坏，可能对物理世界造成
直接的巨大伤害，研究其架构和所涉资产（ICS Asset
Inventory），对工控安全的研究具有重要意义。无论是
ICS-CERT 还是国内的工控安全企业，都提出精确的工
控设备清单是工控安全的基础。设备清单用于登记工
控系统中的资产及其所处的安全状态。文献[6]指出工
业控制系统包括“硬件资源”、“软件资源”、“存储其中的
数据资源”以及“与工控系统相连的生产设备”与“生产
环境”。
从满足工艺需求和安全需求考虑，硬件资源包括[7]
RTU、PLC、SCADA、IED、现场总线，主机、路由、网关
等；软件资源有组态监控软件、工控编程软件、通讯软
件、互联网应用软件、办公软件、杀毒软件等，总结如图2。
标准IEC62443 对工控系统信息安全的定义：“保护
系统所采取的措施；由建立和维护保护系统的措施所得
到的系统状态；能够免于对系统资源的非授权访问和非
授权或意外的变更、破坏或者损失；基于计算机系统的
能力，能够保证非授权人员和系统既无法修改软件及其
数据，也无法访问系统功能，确保授权人员和系统不被
1982
1985
1988
1989
1991
1992
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
40
30
20
10
0
年份
工控事件数量
（a）工控安全事件年份统计
Mining
Pharmaceutical
Electronic
Manufacturing
Automotive
Metals
General
Manufacturing
Pulp and Paper
Unknown
Chemical
Food &amp;amp; Beverage
Other
Water/Waste
Water
Petroleum
Power and
Utilities
Transportation
工业行业
（b）工控安全事件行业分布
图1 工控安全事件统计
高级工程师办公PC 办公PC
智能终端
防火墙
Internet
移动设备
企业网络
工作站办公外设
SCADA
服务器服务器数据库
设备总线
RTU PLC HMI
现场
人员生产环境执行设备传感器生产设备
图2 ICS 资产图
陶耀东，李宁，曾广圣：工业控制系统安全综述9
Computer Engineering and 2016，52（13） Applications计算机工程与应用
阻止；防止对工业控制系统的非法或有害入侵，或者干
扰其正确和计划的操作。”总结为物理安全、功能安全以
及信息安全，强调不同于传统IT 安全的需求，首先保证
整个系统的可用性和可靠性，其次才是保证控制平台的
可靠性与存储其中数据的机密性。
3 分析工控安全面临的威胁
ICS 威胁指的是可能给ICS 资产造成损失的来源，
威胁分五大类，具体如下[6-9]。
第一，环境和自然威胁：供电不足、电磁干扰、静电、
恶劣的温度湿度条件、粉尘等，地震、雷电、台风、洪涝、
火灾等。第二，内部无意威胁：操作失误、软件故障、硬
件故障老化、网络过载、隐藏信道（Covert Channels）。
第三，内部有意威胁：蓄意破坏、非授权篡改、非授权使
用、窃取窃听内部重要信息。第四，外部攻击：普通攻
击、商业窃密、信息战、恐怖袭击等。第五，第三方人员：
留有后门，第三方人员在对系统进行维护时，可能会未
授权对系统进行更改或安装非法软件。
卡巴斯基实验室与文献[10]强调以工控系统为目
标的攻击才是真正的威胁，根据威胁源是否以破坏工控
系统目标，分为“无意识威胁”与“恶意威胁”。“无意识威
胁”指不以工控系统为攻击目标的威胁源，如自然灾害、
意外事故和机械仪器老化等。
威胁源层次图如图3 所示。
ICS-CERT、陈星、贾卓生[11]与文献[12]统计具有主
观恶意威胁如下：蝇蛆网络（Bot-network）运行者、犯罪
团伙（Criminal groups）、恐怖分子、黑客（Hackers）、国外
的智能服务（Foreign intelligence services）、内部人员
（Insiders）、钓鱼客（Phishers）与Spammers、竞争对手产
业间谍与不满的顾客。
不同于传统IT 安全需求CIA 特性排序，工控安全
的安全需求排序是AIC（Availability，Integrity，Confidentiality）[
13]，将攻击分为三类，分别是可用性攻击，如拒绝
访问；完整性攻击，如SQL 注入攻击、修改关键数据；机
密性攻击，如未授权获取数据等。针对工控系统的攻击
往往不是单一形式，往往有效率、破坏性大的攻击是多
步骤的，糅合多种技术[14]。
具体的攻击表现形式：重放攻击、中间人攻击、远程
修改RTU逻辑、DoS攻击、零日漏洞攻击、APT（Advanced
Persistent Threat）高级持续性威胁、挂马、漏洞攻击、恶
意软件攻击、网络钓鱼、间谍软件、SPAM、SQL 注入攻
击、端口扫描、脆弱性扫描、信息泄露、社会工程学攻击等。
使用工业控制系统的行业普遍存在上文讨论的安
全威胁，而对于特定的工控领域，也存在其典型的危
险。文献[15-22]总结智能电网安全运行面临的威胁包
括三个层面：第一是设备安全威胁，包括智能电网的智
能终端，WSN 的无线传感器被恶意盗窃和篡改信息或
者自然灾害侵蚀与老化，终端被安装“逻辑炸弹”，这将
严重影响智能电网的正常运行；第二是网络安全威胁，
针对智能电网的常见网络攻击包括Sinkhole 攻击、选择
性转发攻击、Sybil 攻击、Wormhole 攻击、DoS 攻击、信息
泄露、恶意拖延、破坏智能电网节点之间的信息传输和
交换，导致电网系统混乱崩溃；第三则是数据安全威胁，
经典的攻击是稀疏秘密攻击（Sparse Stealth Attacks）、
虚假数据注入攻击（FAIAs，False Data Injection Attacks）、
数据泄露，它们篡改智能电网的发、输、配、用电数据，因
为电网用户量大，数据多，这种修改方式难以察觉，往往
引起长时间的管理混乱，不利于智能电网的健康运行。
威胁源攻击系统的一般步骤为：信息收集、网络扫
描、账户破解、实施攻击。
4 分析工控系统存在的脆弱性
脆弱性：指计算机系统在硬件、软件、协议的具体实
现或者系统安全策略上存在的不足或缺陷[8]。根据文
献[23-26]统计ICS 中存在的脆弱性，总结如下：
（1）策略、政策及管理的脆弱性
现代工控系统已不再是原先工厂形式的封闭“孤
岛”，而是一个全面开放的系统，这需要新的安全理念、
安全策略和管理流程。例如，管理控制系统的政策、程
序文化不足；远程访问缺乏合适的访问控制策略；对核
心支持设备管理、设计和实现不恰当。
（2）工控平台、终端的脆弱性
现代工控系统大量使用PC 机，而工控PC 机通常用
于控制不间断生产，在运行期间不允许停机检修更新软
件，同时工控PC 需要大量软件。这些导致工控PC 终端
更新缓慢，引入漏洞长久得不到修复。例如，控制系统
中使用的系统管理机制和软件都没有充分审查或维持，
不安全的无线通信用于控制；工具应用不足，不能检查
和报告异常；将未授权和不适当的应用软件或硬件设备
接入控制系统网络。
供电不足
电磁干扰
静电
雷电
恐怖分子
Terrorist 蝇蛆网络
（Bot-network）
运行者
产业间谍
（Industrial
espionage）
钓鱼客（Phishers）
与Spammers
犯罪团伙
（Criminal groups）
国外的智能服务
（Foreign intelligence
services）
内部人员（Insiders） 黑客（Hackers）
火灾、粉尘
恶劣的温度
湿度条件
地震、台风、
洪涝
ICS
图3 威胁源层次图
10
2016，52（13）
（3）工控网络的脆弱性
工控网络包括两部分：其一是与外部连接的网络，
仍然是传统的以太网网络，使用TCP/IP 协议；另一部分
是内部的总线网络，使用工控网络的专有协议。这二者
的设计之初都没有考虑安全需求，仅为完成传输功能设
计。网络的脆弱性来自三个方面，协议只为完成可用设
计；软件存在漏洞，配置不合理；网络边界不明确；非专
用通信通道用于传输控制信号或者在控制信号专用通
道上传输其他信号。
以上文献总结的脆弱性具体表现在：不恰当的输入
验证，许可、授权与访问控制不严格，不恰当的身份验
证，验证数据真实性不足，差的代码质量指标，ICS 软件
配置维护不足，凭证管理不严，使用的加密算法已过时，
网络设计孱弱，审计问责制度羸弱等。
ICS 的脆弱性并不是单一存在的，往往是政策、平
台终端、网络脆弱性并存的，以分布式控制系统（DCS）
中的工业无线传感器（Industrial Wireless Sensor Networks，
IWSNs）为例，文献[27-34]总结无线传感网络主
要完成数据采集、数据传输与控制管理，是工业控制系
统最基础构成；平台终端脆弱性：传感器的工作环境恶
劣伴随有强烈震动、高温高压、腐蚀性有毒气体等，处于
无人维护，不可控环境中，还有新出现的硬件木马
（Hardware Trojans，HWTs）；网络脆弱性：在通信上存在
噪声、多信道干扰、能量衰减、信息容量下降等问题，另
外工业控制信号都是实时信号，无线传输存在时延问
题，采用高级加密与认证技术不合适，导致其易被恶意
盗窃和篡改信息，因无线连接，任何在传输范围内的设
备都可轻易接入网络，易被窃听，非法篡改数据，针对
SCADA 攻击（ad-hoc SCADA-tailored attacks），甚至破
坏传感器和捕获传感器；政策脆弱性：新兴的无线网络
需要新的通信协议与管理策略，目前处于空白阶段。
5 工控系统的安全措施
5.1 安全需求描述
传统的IT 是安全是网络安全，而工控系统安全同
时包含网络安全与底层物理环境的安全。工控系统直
接与生产环境、真实物理世界相连，是传统IT 嵌入关
键基础设施，融合信息、通信、传感和控制形成的CPS
（Cyber-Physical Systems）环境[35-38]，一旦遭到破坏，直接
对现实的工程环境造成巨大伤害，所造成的损失远远大
于传统IT 安全事故。工控系统的安全需要解决两类威
胁，对于“无意识威胁”，构造防风、防水、防火避雷等物
理环境与报警系统，以避免自然灾害；对于仪器老化等
自身问题，采用PHM技术，监督预测管理设备的生命状
态[39]。对于恶意威胁源则需要用到多种安全技术。
当前最常用的安全技术是入侵检测、漏洞扫描与纵
深防御技术。漏洞扫描技术对零日漏洞攻击无能为力；
纵深防御防火墙只能防御来自外部的攻击，对跨防火墙
的行为无能为力，也不能防御内部的攻击；入侵检测只
能单纯的检测异常行为，不能提高工控系统的“恢复
能力”[40-45]。
基于现存单一安全技术的不足，提出完善的工控安
全防御模型。完善的工控系统安全防御模型应具备四
个层次功能：（1）阻挡外部入侵；（2）检测内部异常；（3）
快速恢复功能正常、稳定的生产环境；（4）智能化的实现
以上三个防御过程。
结合国际行业标准ANSI/ISA-99、IEC62443，标准
NIST SP 800-82 参考文献[46]，总结构建如图4 的ICS
防御体系。下面依据该防御体系，总结国内外各类安全
措施的发展状况与实现方法。
5.1.1 安全不可忽略管理因素
（1）企业高管参与安全管理[46-50]
企业大多将安全问题交给安全技术专家处理，而忽
略自身管理上的漏洞。企业高管拥有高权限，一旦被攻
击，造成的损失远大于普通员工。企业高管应当也是安
全管理的高管。
（2）实现员工安全培训程序
文献[46，51-53]中指出社会工程学攻击、钓鱼攻击，
浏览器中的脚本攻击和注入攻击、邮件扫描攻击等大量
攻击都利用了员工无意泄露的敏感信息，员工缺乏安全
意识是安全的一大漏洞。
（3）建立基于角色的访问控制机制
工控系统中的工作人员有高级工程师、工程师、管
理人员、现场操作员等，从网络结构考虑，分为企业网络
区、控制网络区、外部网络等。不同的分工应当赋予不
同的权限，让现场操作员可以访问高级工程师的数据库
显然是不合适的。文献[54]提出将严格的基于角色的
访问控制机制与网络分区、审计技术、白名单策略结合，
可以达到很好的防护效果。
资产清单/安全状态图
VPN安全远程访问
日志审计技术
高管、员工安全意识培训
态势感知（SARA）
异常
检测
入侵
防御
工控蜜罐
Conpot
事件响应
计划
网
络
分
区
/
纵
深
防
御
强口令管理
访问控制
防
火
墙
/
白
名
单
ICS
安
全
防
御
体
系
外界网络
图4 ICS 安全管理模型
陶耀东，李宁，曾广圣：工业控制系统安全综述11
Computer Engineering and 2016，52（13） Applications计算机工程与应用
国外政策管理非常完善，上面描述的安全策略都已
经实现，且有相应文件公布。国内则处在起步阶段，如
管理策略规定《工业控制系统安全管理基本要求》、《工
业控制系统安全检查指南》尚处于在编阶段。
5.1.2 安全需要知己知彼
（1）知己——安全的前提
制作设备清单，保证任何一件设备都处在安全的状
态。理解并且登记在企业网络环境中的工控系统设备
及其安全状态，是工控安全管理的基础。工控资产清单
包括硬件清单、软件清单、软硬件配置清单、网络拓扑
图等。
（2）知彼——主动防御
蜜罐通过提前接触攻击行为可为工控系统添加一
道额外的防线。ICS Security WorkSpace 发布仿真西门
子S7-300PLC 与工控系统最常见的Modbus 协议运行在
公网的情况，记录扫描攻击该系统过程以及相应IP，用
以研究工控系统的防御。文献[1]使用工控蜜罐网络研
究工控系统的威胁源与攻击过程。Conpot[55]在GitHub
发布开源工控蜜罐系统Conpot，该系统是工业控制系统
服务器端的低交互的蜜罐技术，设计易于布置、修改和
扩展，通过提供各种通用的工业控制协议，可以构建需
要的系统，能够模拟构建基础设施，以假乱真，使不安好
心的人成功发现一个巨大的工控系统。趋势科技在美
国一小镇上建立一个模拟各种ICS/SCADA 的蜜罐设
备，并且与互联网连接，蜜罐中包含了ICS/SCADA系统
的典型安全漏洞，在18 小时后被攻击。文献[56]提出移
动蜜罐，该蜜罐可以布置在网络系统中的任何位置，将
当前网络的状态提供给工控安全管理员。
国内，文献[57]提出采用经典的化工反应模型田纳
西- 伊斯曼过程，结合著名的蜜罐软件Honeyd，依托
Matlab/Simulink 的强大运算、仿真能力，将田纳西-伊斯
曼过程实时仿真的生产数据通过网络通信的方式传送
给Honeyd 模拟蜜罐设备，并通过Python 脚本语言调用
的方式实现设备的多种行为响应和真实调控生产过程，
检出新型过程控制蜜罐系统；文献[58]提出嵌入式蜜罐
和嵌入式蜜网的思路，并在嵌入式网络环境下对蜜罐进
行部署和测试分析，实验结果证明，嵌入式蜜罐对嵌入
式网络安全起到保护作用。
国外将蜜罐技术用于研究工控系统的威胁源、攻击
途径以及探索防御手段，技术应用成熟，取得了很多成
功；国内应用蜜罐技术与ICS 安全尚处一个探索的阶
段，虽然发表了不少研究论文，但没有可供市场使用的
产品出现。
5.1.3 网络分区管理，区域间布置防火墙
如图5 参考NIST SP 800-82、IEC62443 等国际工
控领域指导性文献深度防御（Defense-in-Depth）架构，
将ICS 划分为外部区域集合、控制网络区、企业网络区、
远程访问区与生产现场。从分区以及防火墙的设置，总
结防火墙的防御功能：保护整个的内部系统免受外部的
攻击，隔离企业网络与远程访问区，控制系统网络与其
他网络隔离，生产区与控制网络隔离。文献[2]详细介
绍了网络分区与应用防火墙保护工控系统的改进过程，
控制网络区
现场总线
异常检测
应用服务器
数据库服务器
配置服务器
控制系统网络
历史数据
HMI 计算机
工程工作站
PLC
SCADA
RTU
HMI
控制器
远程访问区
异常检测
外部商务服务器
WWW服务器
历史数据服务器
安全服务器
认证服务器
非军事区集合
企业网络区
商务服务器
企业网络
商务工作站
网络应用
服务器
代理服务器FTP 服务器网络服务器
异常检测
非军事区集合
电子邮件服务器域名解析服务器
企业防火墙
VPN防火墙
光纤信号
以太网
远程访问
其他网络访问
合作方、赞助商
无线发射
外部网络接入
集合
图5 ICS 深度防御架构
12
2016，52（13）
第一阶段双宿主机防火墙；第二阶段在企业网络和控制
网络之间构建防火墙；第三阶段添加路由的企业与控制
网络间的防火墙策略；第四阶段添加非军事区（DMZ）
防火墙；最后是深度防御体系的防火墙策略，深度防御
体系为效果最好的防火墙布置策略。文献[59]针对网
络布局变化引起网络分区与隔离变化提出基于行为感
知的动态分区技术；文献[60]提出数据二极管，能够在
不同分区之间单向传输数据策略。针对我国ICS 特殊
性，防火墙应为国内自主研发的专用工控防火墙，目前
国内较为成熟的有三零卫士“30TrustFWS”，海天炜业
“Guard”，力控华康“HC-ISG”以及中科网威。国外，如
加拿大多芬诺公司防火墙，美国的ConneXium等虽然比
国内的成熟，但是并不建议使用。ICS-CERT[61]建议工
控防火墙使用白名单策略，文献[62-63]总结了石化工控
中白名单策略，应用白名单列表（application whitelisting），
完成LOGIIC（Linking the Oil and Gas Industry to
Improve Cybersecurity）过程。
5.1.4 安全的远程访问方法
现代工业控制系统对开放性提出新的需求，需要能
够完成远程访问功能。安全的远程访问是工控系统开
放的基础，涉及两个方面，其一制定远程移动设备管理
策略，文献[51]指出平板电脑、移动数据处理器、智能手
机、笔记本等移动设备在工控系统的大量使用给工控安
全带来新的挑战。文献[64-66]提出移动设备管理策略
应该至少要求远程访问人员不得在公共网络、私人
WiFi、其他单位局域网中登录，使用安全的网络登录，例
如VPN 登录，登录需要使用强口令，并且口令、文件应
加密传输。
其二要求远程访问过程安全，使用户像在专用网络
访问一样，VPN技术无疑可做到。文献[67]详细介绍远
程访问实现过程，是美国国土安全部发布的工业控制系
统远程访问的指导性文献；文献[68]提出将VPN技术应
用于企业之间的远程服务，并详细介绍VPN 所涉及的
相关技术；刘锋光[69]设计实现基于VPN技术的水电站远
程监控系统的研究与应用，但是他对安全考虑较少，仅
仅是完成了功能；黄昱泽[70]设计一种使用于工业控制网
络的网关，该网关放置于工业控制网络中后，无需对工
控设备做任何改造或配置，便可完成数据包的转发工
作。该网关不依赖任何硬件环境和软件环境，适用于各
种SCADA系统，具有较强的适用性，但该设计仍然缺乏
安全考虑，仅仅是功能实现。
5.1.5 漏洞管理
威胁源利用漏洞对工控系统展开攻击，如零日漏洞
攻击。科学的检测工控系统漏洞，并合理更新补丁是工
控防御的重要组成。CNVD、CVE、ICS-CERT、中国国
家漏洞率、中国国家信息安全漏洞共享平台等权威机构
统计出现在工控系统的漏洞，可作为漏洞扫描的参考。
漏洞扫描技术是指利用扫描等手段检测目标主机或网
络的安全脆弱性，并发现可利用漏洞的一种安全检测技
术也是一种主动防御技术。目前国内比较成熟的产品
有绿盟科技的ICSScan 以及启明星辰和东方电气联合
研发的天镜工控漏洞挖掘系统。国外成熟的工控扫描
系统比较多，如PLCScan、面向硬件的模糊测试模块
ICCP、Mu 测试模块等，挪威科技大学终端设备固件分
析方法PLC 方法等。考虑我国工信部451 号通知以及
核心设备国产化的战略，不建议使用国外的扫描系统。
国内，于长奇[71]提出基于改进模糊器的工控系统漏
洞扫描器，在测试阶段成功找出零日漏洞；王欢欢[72]提
出一种层次探测的漏洞扫描方法，通过测试西门子工控
系统，证明该系统的有效性；沈伟峰[73]提出了一种基于
木马体系结构的网络漏洞扫描模型，设计并实现了基于
木马体系结的面向攻击的网络漏洞扫描系统。
补丁是用于修复漏洞的，对于传统IT 中的补丁及
时更新，但在工控系统中补丁管理情况复杂，工控系统
是实时连续运行的系统，更新补丁需要科学的管理，以
减小损失。文献[74]总结了企业内部更新补丁、软件的
指导性文章；文献[2，75]强调补丁管理是一个系统的过
程，需要设置专门的补丁管理人员，并且有软件清单、硬
件清单、网络拓扑结构图，熟悉生产的每一个过程，能够
选择最佳补丁更新策略。工信部451 号文件要求密切
关注产品漏洞和补丁发布，严格软件升级、补丁安装管
理，严防病毒、木马等恶意代码侵入。关键工业控制系
统软件升级、补丁安装前要请专业技术机构进行安全评
估和验证，以免破坏其功能安全性。熊琦等人总结比较
现有各种Fuzzing 测试技术应用于工控网络协议的优
缺点，提出工控网络协议的专用Fuzzing 测试工具的设
计准则[76]。
5.1.6 异常检测与事件响应计划
异常检查是对防火墙的补充，可检查内部攻击、异
常，可检测跨防火墙攻击。异常检查包括入侵检测、病
毒查杀、异常代码检测等。冶金自动化研究设计院赵华[77]
对ICS 信息安全现状和入侵检测系统进行了归纳总结，
并对异常检测技术及算法进行了概括介绍，提出一种基
于被控对象模型的非参数CUSUM异常检测方法。黄勇[78]
对ICS 的发展概况和信息安全现状进行了深入分析，着
重研究开源异常检测系统Snort 及其规则，总结和设计
一套基于“工业现场总线协议——MODBUS 协议”的
Snort 规则；针对ICS 下位机的控制数据、通信协议、高实
时性等特点，结合聚类的相关算法，提出一种基于自适
应聚类的离群点挖掘算法（Adaptive Clustering-Based
Outlier Detection）。浙江大学罗耀锋[79]分析面向ICS 系
统的入侵检测的基本问题，设计基于多分类SVM的入
侵检测方法，其根据ICS 过程监控层的网络特性和入侵
特点而设计，适用于ICS 过程监控层的入侵检测，设计
陶耀东，李宁，曾广圣：工业控制系统安全综述13
Computer Engineering and 2016，52（13） Applications计算机工程与应用
了基于协议分析和通信模型的入侵检测方法。北京工
业大学高春梅[80]提出一种基于ARIMA模型的工业控制
网络流量建模方法，用于建立正常的工业网络流量模
型。彭勇等人提出将工业控制协议交互模式中提取系
统级行为特征来作为ICS 场景指纹，并将该指纹用于
异常检查[81]。文献[82]提出基于Conpot 的远程数据入
侵检测技术（Telemetry Analysis Intrusion Detection
Systems），可适用于各类的工控协议。
工控设施受到攻击是不可避免事件，优秀的安全策
略其中一个重要指标是能在尽可能短的时间内检测到
入侵事件，做出响应动作，使系统回复正常的生产过
程。文献[83-85]指出应急响应包括对入侵事件分类，针
对不同类型的入侵事件执行不同的响应动作，最后采取
恢复系统的动作；文献[86]设计面向网络的故障维修事
件响应策略，进一步优化响应时间。
5.1.7 态势感知
态势感知指综合分析ICS 安全要素，评估ICS 的安
全状况，预测其变化趋势，以可视化的方式展现给用户，
并给出相应的应对措施和报表。目前来说国内将态势
感知技术用于ICS 还是比较少，国外提出专门应用于
ICS 的态势感知参考架构（SARA）[87]，美国信息能源部
帮助构建网络入侵自动响应和策略管理系统（CAMPS），
实现工业控制系统的实施态势感知（Real-time Situational
Awareness）[88]。文献[89]将态势感知技术应用于
辅助工控系统管理人员的决策制定与修正工控安全机
制，并详细描述其实现过程。
5.1.8 审计技术
防火墙技术只能防御外来入侵，异常检测只能检测
内部异常或者跨防火墙的攻击，蜜罐技术主要用于分析
研究外部威胁，以上防御技术都不能记录追踪内部人员
的“误操作”，以责任到户（Audit and Accountability）。
文献[90]设计一工控系统信息安全审计系统，该审计系
统主要由数据采集模块、内容检测模块、异常行为判断
模块、行为处理模块、审计响应模块等组成。实验结果
表明，该系统能够对ICS 进行全方位的安全审计，能够
极大程度地提高ICS 的安全防护能力。
5.1.9 工控终端与传感器安全
随着两化融合与智能制造的发展，分布式工控系统
得到广泛应用，其终端与传感网络需面对大量的安全威
胁，文献[91-92]提出将PKI 技术应用分布式工控终端，
基于SSL 协议，完成功课终端设备的安全改造，在工
控终端设备内嵌入安全芯片，对工控终端设备的信息
验证、加密传输进行了改造。文献[93]设计智能跳棋
（Intelligent Checkers）传感器，能够在网络中单向传输
数据，实时监控物理过程，在生产过程发生故障时给管
理员报警。
5.2 风险评估与风险管理
工控风险指的是威胁源利用工控系统存在的脆弱
性给工控资产造成损失，破坏生产的可能性，工控的风
险涵括四个要素：资产、脆弱性、威胁，安全措施。资产
价值高增大风险，威胁源利用脆弱性是风险增大，安全
措施可以减少脆弱性达到规避或降低风险的目的。
风险评估就是量化“可能性”，包括对资产、脆弱性、
威胁与安全措施的量化。风险管理即综合考虑风险的
四个要素，使这一可能性降低到可接受的阈值。风险量
化评估与风险管理是ICS 信息安全研究的重要基础。
国外起步早，已有经典文献标准，例如NIST SP800-82、
IEC62443 等，有大量工控风险评估、管理机构，如ICS
RISK MANAGEMENT、Citicus ICS、ICS Risk Advisors，
提出攻击分类法用于工控系统安全评估[94]，文献[95]提
出分层的风险评估策略；国内起步较晚，发布有《工业控
制网络安全风险评估规范》[96]等，国内工控风险评估、管
理的企业机构较少。
国内文献[6，8]总结了ICS 量化评估方法与风险评
估方法，并提出了新的评估手段。
6 未来发展与总结建议
6.1 未来发展
如图6 总结ICS 应用领域与安全需求发展趋势，工
控系将在智慧城市、智慧制造及工业4.0 等新兴领域发
挥重要作用，并将全面开放，与传统IT 结合。由此，ICS
的安全问题进一步扩大，面临的问题既有工控系统原有
的安全问题，同时将涵盖IT 领域的安全问题。未来深
度防御、防火墙、入侵检测、强口令、漏洞扫描等防御技
术继续发挥重要作用；Conpot 蜜罐技术、安全远程访问
策略、日志审计技术将在工控安全中进一步发展；今后
伴随着工业大数据的推进，拟态安全、云计算云安全技
术、可信计算技术与可信防御技术将成为工控安全领域
新的研究热点[97-99]。虽然无论国内还是国际，工业控制
电力能源
智慧城市
离散制造智慧制造
半开放全开放
工业4.0
云制造
航天交通IT 结合
工厂
封闭
应用
威胁无处不在
图4 安全体系
构建图4 安全体系
恶意威胁源
拟态安全+云安全+
XX安全技术
防火防盗
自然灾害
安全操作
功能安全
信息安全
物理安全
功能安全
信息安全
物理安全
物理安全
安全
发展态势
图6 ICS 应用与安全发展
14
2016，52（13）
系统安全问题得到了来自政府部门、国家国防技术研究
机构、工业企业与各类学术研究机构的广泛关注，且国
外构建了基本的理论、技术与研究机构，国内也逐步发
展ICS 安全的研究，但其仍处于发展初期，还需要经历
较长的时间去发展成熟[100-102]。目前，在国际标准CPNI、
ISA-99、IEC62443、NIST SP 800-82 与NERC CIP 等标
准框架下，各部分研究技术均有较明确的发展思路，同
时也面临许多挑战。除了研究以上标准提到的较好的
工控安全策略之外，还应重点关注和思考以下问题：
（1）如何构建我国安全的工控架构，尤其是国家绿
色能源建设——水电、智能电网平台。
（2）如何实现安全的终端技术，在保证实时性的要
求下完成数据的快速加密认证，底层协议的标准化、安
全化研究，保证传感网络的安全。
（3）将工控安全与工业大数据集合，构建包括网络
安全与机械自身安全的全面工控安全平台，考虑如何实
现CPS 与PHM技术推广到工业生产端，为仪器做好健
康监控管理。
（4）考虑如何完善国家工控标准、人员管理方案，提
高涉工控所有人员的安全意识。
（5）研究虚拟仿真技术，用低成本研究工控安全，研
究虚拟蜜罐以及试验床仿真技术。
（6）将安全分布式管理，研究使用硬件完成安全功
能，如硬件加密技术等。
6.2 总结
震网“Stuxnet”事件之后，工控安全这一主题受到广
泛关注，国内外都取得一定的成果，本文总结分析了工
控系统的架构资产、面临的威胁、存在的脆弱性与安全
措施等内容：
（1）架构资产方面，国内很多研究机构出于保密或
者历史因素没有严格制定资产清单，这给后期的安全
管理、补丁管理等埋下隐患。工控资产清单应能为后
期安全管理作铺垫，应该包括软件资产清单（Software
Inventory）、硬件资产清单（Hardware Inventory）、设备
清单（Device Inventory），网络拓扑、安全状态、生产环
境等内容。
（2）面临威胁方面，工控系统面临的威胁有很多，包
括无意识威胁与恶意威胁。无意识威胁指的是自然灾
害与仪器自身老化等问题；恶意威胁造成的损失远远超
过无意识威胁，指一切以破坏工控正常生产为目的行
为，有来自网络的，也有来自内部人员的。应用工控蜜
罐技术、Conpot 能够记录分析主动攻击工控系统的威胁
源，为进一步的防御动作做好准备。
（3）脆弱性方面，工控系统存在脆弱性亦可指其漏
洞，包括平台漏洞、协议漏洞管理漏洞等。平台漏洞可
以使用漏洞扫描系统结合漏洞库找出；协议漏洞需要不
断分析记录方能找出；至于管理漏洞则需要不断吸取国
内外经验，国内缺少相应的安全管理标准和参考文献，
国外则已有很多成文的管理条例。
（4）安全措施方面，工控系统面临的威胁源不明确，
存在的漏洞多且有的处于未知状态，安全措施应能应对
外来攻击，检测内部异常，及时修复系统、使工控系统恢
复正常功能，能够追踪记录事件源，责任到人。
结合工信部451 号文件，提出如下建议：工控安全
不仅仅是单纯的技术安全，而是一个系统产业安全，包
括相关的体制革新，管理流程优化，人员意识培养，技术
创新，需要国家、企业、工程师、信息安全专家等的参
与。结合工控的体系架构以及工控发展趋势，提出如下
建议：
（1）管理层面。完善管理体制，对过时的安全体制
进行革新；国家给予足够重视，建立统一的工控安全领
导机构，完善相应的管理、操作、技术规范制度，完善应
急预案。
（2）技术层面。构建仿免疫学的四层防御体系，构
建“边界”，隔绝外部入侵，使用工控防火墙、网络分区隔
离技术等深度防御措施；检测内部异常，使用异常检测
技术、漏洞扫描技术、强口令登录；完善自我修复功能，
采用日志审计技术、事件响应技术、入侵防御技术等；主
动出击，智能维护，使用工控蜜罐技术主动出击，态势感
知决策安全措施。加强技术创新，与新兴的拟态安全、
云安全等技术相结合。
（3）企业机构层面。加强员工安全意识培训，企业
高管关注安全问题。
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