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工业控制系统信息安全性分析

文档作者：彭杰刘力文档来源：南昌大学信息工程学院		点击数：	更新时间： 2021年06月06日
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工业控制系统信息安全性分析彭杰，等
工业控制系统信息安全性分析
Analysis of lnformation Security for Industrial Control System
彭在纠力
(南昌大学信息工程学院，江西南昌330031)
摘要：工控系统越来越容易受到信息安全问题的威胁，如计算机病毒、网络病毒、数据操纵，这些威胁会对整个工控系统造成破坏。
分析了工控系统信息安全问题及其对控制性能和控制功能的破坏，指出了工业控制系统仍存在的潜在脆弱点，并提出了相应的对策。
这些对策包括裁减操作系统、工控用分布式防火墙技术应用以及工控系统安全风险评估，对工业控制系统的信息安全性进行分析，
将有助于信息技术在工业控制系统中的应用。
关键词：工业控制信息安全安全对策风险评估控制网络
中图分类号：TP393 文献标志码：A
Abstract：卟e industrial control system is increasingly easy to be threatened by information security issues such as computer or network viruses，
and data Ulanipulation which may destroy entire control system．The information security of industrial control system and its influence on control
Derformance and functions are analyzed．Other potential vulnerabilities existing in industrial control system aye also proposed，and corresponding
coantermeasures are given．These measures include tailoring the operating system。applying distributed firewall technology for industrial control，
and assessing the safety risk for industrial control system．The analysis of information security for industrial control system is helpful to the
application of information technology in industrial control system．
Keywords：lndustrial control Information security Safety countermeasures Risk assessment Control network
0引言
随着IT技术快速而广泛地应用于工业自动化系
统，工业控制系统遭受网络侵袭已屡见不鲜。工业网
络的信息安全问题日益突出，这主要有以下三方面的
原因：一是工业控制系统和企业IT系统联合得越来越
紧密；二是企业IT安全措施往往不能直接应用于工业
控制系统；三是黑客技术的发展也使蠕虫病毒的破坏
力更大。随着以工业以太网为代表的控制网络在监控
层占据主流位置，以及实时以太网技术在现场设备层
逐步得到应用，对工业控制系统的信息安全风险进行
分析研究已经显得十分迫切¨。1。
1 系统网络化和技术主流化
1．1“一网到底”
如今的工厂已不再由一系列自动化孤岛组成，为
了有效利用自动化资源，通信系统已将其中的各部分
连接起来。综合考虑企业范围内的各种需求，工厂网
络通信框架一般具有3层结构，从低到高分别为现场
修改稿收到日期：2012—05—17。
第一作者彭杰(1976一)，男，2004年毕业于上海理工大学热能工程
专业，获博士学位，副教授；主要从事控制网络等方面的研究。
控制层、监控层和企业管理层。对于监控层，工业以太
网技术占据了主流地位，但是对于响应时间要求小于
5 ms的现场控制层应用，工业以太网也不能胜任。为
了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织
纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方
案。这些方案建立在IEEE 802．3标准的基础上，通过
对其及相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与
标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网p‘4。。随
着实时以太网技术的发展和应用，工控系统逐渐实现
“一网到底”。典型的工业网络结构如图1所示。
管理层
监控层
现场层
岛⋯机J—olo—lo．L。而
一3-业以太网t一--I-L“，7默叫
j习咖实时以姗n }c或控制
图1典型工业网络
Fig．1 Typical industrial network
1．2主流信息技术应用
在自动化监控层，不但有用于控制的PLC和中央
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控制器，也有以Windows为主流操作系统的操作站、优
化系统工作站、先进控制工作站以及Web服务器和数
据库服务器等设备。系统使用OPC技术从不同的数
据源得到数据并进行数据交换；数据经常通过工业以
太网交换机进行传输等。自动化系统集成和扩展的需
要、系统开放互连性的加强，特别是标准IT技术在自
动化系统组件中的广泛应用，如FTP应用、B／S方式监
控、Intemet远程诊断、来自工业现场的视频音频监控
数据传输，以及以后有可能实现的IPv6在工业控制设
备中的应用等，这些都明显体现了工业控制系统作为
一个全方位采用主流信息技术的系统特征。
2工控系统信息安全威胁
工业控制系统所具有的网络化和信息化的特点，
使得工控系统除了面对传统的针对商用计算机领域的
信息安全威胁，例如病毒、网络安全等以外，还要面对
那些会威胁到系统控制性能甚至破坏系统控制功能的
信息安全威胁M。71。
2．1对控制性能的威胁
典型的对控制性能的威胁就是控制系统的通信实
时性。以在监控层占据主流地位的工业以太网为例。
网络响应时间反映了整个工业以太网系统的实时性
能。影响网络响应时间的因素主要来自3个方面：
①本地系统，即源节点的处理；②工业以太网网络，即
传输部分；③目的节点系统，即目的节点的处理。
工业以太网响应时间示意图如图2所示。此图表
明了从源节点向目的节点发送信息所花费的时间，也
就是网络响应时间n。。。总的时间延迟可分为：源节
点的时间延迟、网络通道上的时间延迟和目标节点的
时间延迟3个部分。圆圆圆圈
时间
图2 工业以太网响应时间示意图
Fig．2 Schematic diag】．mn of response time of industrial Ethemet
源节点的时间延迟包括：①预处理时间咒。，它是
计算时间T⋯。和编码时间t。。。。的总和；②节点内部排
《自动化仪表》第33卷第12期2012年12月
队的时间一。。。。，是等待时间L。的一部分，取决于源
节点需传送数据的总和与网络的传送状况。网络时间
延迟包括：①传送时间正。，它是帧发送时间‰。。和网
络的物理传播迟延t。的总和，取决于信息的大小、数
据传送率和网络缆线的长度；②网络阻塞时间咒k。，
它是等待时间气。的另外一部分；③目的节点的时间
延迟L。是数据的后期处理时间，它是目的节点解码
时间死。池和目的节点计算时间乃。⋯的总和。所以总
的时问延迟可表示为：
Tdd。，=Tp,。+t。i。+t。+7乙。=
T。⋯。+丁。。。d。+丁。吲㈣。+丁bl。。k+
气。。十0。p十L州。+Tdc0。p=
咒，。+咒。。。+l。+咒。(1)
式中：Tp。=t⋯。+T。0d。；L。。。=0。。十瓦。。k；r。=t⋯+
I。，；0。=死。。de+‰mpo
从图2可知，计算机病毒即使不造成操作系统崩
溃，也可以通过占用资源，使得源节点的时问延迟和目
的节点的时间延迟具有不确定性；局域网病毒或者网
络攻击即使不造成以太网瘫痪，也可以通过堵塞造成
网络传输的时间延迟具有不确定性。这些不确定性将
造成那些具有优先权的工业实时数据的实时性得不到
满足，从而破坏系统控制性能。
2．2对控制功能的破坏
典型的对控制功能的破坏就是破坏和操纵工业控
制软件，例如对OPC软件或者实时数据库的破坏，但
破坏力更强的是对工控软件的操纵。
国家计算机病毒应急处理中心于2010年10月3日
发布信息：通过互联网络监测发现，一种利用微软公司
漏洞的新型病毒“震网”(也称超级病毒Stuxnet)出现，
提醒用户尤其是大型工业部f-H％"谨防。该病毒可以
通过移动存储介质和局域网进行传播，并且利用西门子
公司控制系统(SIMATIC WinCC／Step7)存在的漏洞感
染数据采集与监视控制系统(SCADA)。Stuxnet的目的
是通过修改PLC来改变工业生产控制系统的行为，包
括：拦截发送给PLC的读／写请求，以此判断系统是否为
潜在的攻击目标；修改现有的PLC代码块，并往PLC中
写入新的代码块；利用Rootkit功能隐藏PLC感染，躲避
PLC管理员或程序员的检测。
Step7软件使用库文件s70tbxdx．dll来和PLC通
信。当Step7程序准备进入PLC时，它会调用该DLL
文件中不同的例程。例如，如果一个代码块需要用
Step7从PLC中读出，那么，例程s7blk—read就会被调
用。sTotbxdx．dll中的代码会进入PLC，读出其中的代
码，并将它传回Step7程序。Stuxnet运行后，Stuxnet会
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将原始的s70tbxdx．du文件重命名为s70tbxsx．dll。然
后，它将用自身取代原始的DLL文件，这样Stuxnet就
可以拦截任何来自其他程序的访问PLC的命令。被
Stuxnet修改后的s70tbxdx．d11文件保留了原来的导出
表，导出函数为109个，这就使得Stuxnet可以应付所
有相同的请求。大部分导出命令会转发给真正的
DLL，即重命名后的s70tbxsx．dll，剩下的16种导出命
令不会被简单地转发，而是被改动后的DLL拦截。被
拦截的导出命令为在PLC中读、写、定位代码块的例
程。通过拦截这些请求，Stuxnet可以在PLC管理员没
有察觉的情况下，修改发送至PLC或从PLC返回的数
据。同时，通过利用这些例程，Stuxnet可以将恶意代
码隐藏在PLC中。
通过初步分析，确认Stuxnet病毒主要存在以下安
全威胁：①该病毒针对的目标是用于数据采集与监视
控制的专用计算机系统；②此类数据采集与监视控制
系统由于其自身功能的特殊性和重要性，往往与互联
网隔离，造成无法及时进行安全更新，为病毒传播提供
可乘之机；③虽然目前该病毒只是针对西门子公司的
数据采集与监视控制系统，但不排除可能出现针对其
他专用计算机系统的变种。
2．3潜在的脆弱点
工业控制系统还存在潜在的脆弱点，这些脆弱点
虽然可能还没有立即对控制功能或者控制软件造成损
害，但显然增加了系统的安全性威胁。这些潜在的脆
弱点包括：①工业控制系统中采用的主流操作系统，如
Microsoft Windows操作系统存在的安全脆弱点，最近
的Microsoft远程桌面协议拒绝访问和远程代码执行
漏洞；②缓冲区溢出漏洞，例如ABB公司就确认在其
机器人通信运行软件中存在这类漏洞，通过这个漏洞，
攻击者可能具有管理员权限执行远程代码；③控制装
置认证机制中存在的脆弱点，例如，西门子公司已经确
认在编程和配置客户端软件认证机制中存在潜在的安
全弱点。这些机制使用在西门子公司的SIMATIC s7
PLC上，其中包括$7-200、S7．300、$7-400和S7．1200。
通过这些脆弱点，攻击者有机会接入控制系统的通信
链路，截获并破译产品的密码，导致未经授权的更改
操作。
3工控系统信息安全策略
商用系统的信息安全威胁和安全防护一直是矛盾
的关系，是动态发展的问题，而基于主流信息技术的发
展应用和改造应用的工控系统对此问题的解决显然也
是动态的，所以不可能有一成不变的解决方案。因此，
应该制定合理的信息安全策略，然后选择可行的防护
技术。限于篇幅，本文对此进行初步探讨。
3．1裁减操纵系统
Stuxnet蠕虫病毒是利用Windows系统和西门子
SIMATIC WinCC系统的多个漏洞进行攻击。它一共
利用了5个微软漏洞，其中4个在此前均已得到微软
官方修复。2010年12月15日，微软发布修复的
“Windows计划任务本地权限提升漏洞”(公告编号：
MSl0-092)，是被“超级工厂”病毒利用的最后一个
Windowsoday漏洞。随着第5个漏洞的修复，Stuxnet
“超级工厂”病毒的危害已经得到解决。但由于操作
系统自身存在许多安全漏洞，运行在该系统上的工业
软件难免会受到威胁，所以最好能根据应用情况，裁减
操纵系统。
3．2防火墙技术
在主流的分布式防火墙技术基础上，开发和应用
适合工控的分布式防火墙技术如图3所示。．信息．
削晶削晶p l防火墙I l防火墙l
’
匡防火到墙 匿防火到墙 |匡I 防火刻墙
[壶]臣壶口[壶]
Fig．3 The distributed firewall for industrial control
与传统边界防火墙相比，分布式防火墙克服了许
多传统边界防火墙的缺点，增加了一种用于对内部子
网之间的安全防护层；可以针对各个服务对象的不同
需要，进行不同配置，配置时能够充分考虑到运行的应
用；网络处理负荷分布，克服了传统防火墙因网络规模
增大而不堪重负的弊端。
信息网络分布式防火墙的主机防火墙驻留在主机
中，负责策略的实施，以及对网络中的服务器和桌面机
进行防护。主机防火墙驻留在被保护的主机上，可以
针对该主机上运行的具体应用和对外提供的服务来设
定针对性很强的安全策略。正如在主流信息网络技术
基础上进行适应工业控制特点的改造，这使得现场总
线和实时以太网技术一样，可以对应地开发用于工控
的类似主机防火墙。两者的不同仅在于这些类似主机
防火墙的保护对象是控制器、PLC和RTU等执行控制
策略的“主机”。
对系统的信息安全风险评估有利于采取有针对性
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的安全策略，制定事故处理方案。这对类似Stuxnet这
样破坏控制功能的安全威胁尤其有意义。
目前，国内外关于IT系统风险评估的方法有许多
种，例如基于概率论方法、层次分析法和模糊逻辑方
法。虽然工控系统是一个信息系统，但它更是一个控
制系统，这使其在采用风险评估方法中要着重注意保
证控制系统正常运行特有的要求。这就使得对工业控
制系统的风险评估，要在商用信息系统已经较为成熟
的系统风险评估方法和工具应用的基础上，结合控制
系统风险特征，例如工业以太网的实时性要求。由于
控制系统引发的后果比较严重，所以对风险事件发生
后果的影响评价需要更为“保守”。同时，根据技术发
展探讨其他可行的策略，例如VPN、SSL技术等，许多
文献对此已经有诸多研究。
4结束语
当前工业控制系统与基于TCP／IP协议的信息系
统已结合得越来越紧密，这使得工控系统容易受到信
息安全问题的威胁，例如计算机病毒、网络病毒、数据
操纵，从而使整个工业控制系统遭受破坏。
本文针对工业控制系统网络化和信息化的特
点，对工业控制系统信息安全问题进行了分析；对威
胁到系统控制性能甚至破坏控制功能的信息安全威
胁进行了研究；同时指出了工业控制系统还存在的
潜在脆弱点，并提出了相应的对策。这些对策包括
根据工业控制系统要求来裁减操作系统、研究工控
用分布式防火墙技术应用以及进行工控系统安全风
险评估。
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(上接第35页)
void Sreial—int(void)interrupt 5 using 1
／／串口数据接收中断程序
······
i=Receive_data()；j=0；
if(i==0xD7) ／／笋tl断接收的数据是否为包头
{for(udl—nun=Receive_data()；udl>1；udl一一)
／／如果为包头，则继续接收后面的数据
{save—data[j]=Receive—data()；
／／包括控制字节、电话号码、有效数据
j++；
}return；
}
4结束语
基于GSM模块的远程监控系统现已在多部移动
电站上得到了实际应用，用户可通过手机在任何时
间、任何地点查询指定编号移动电站的当前运行状
态信息，同时也能够在第一时间掌握电站警报情况，
《自动化仪表》第33卷第12期2012年12月
甚至可以远程控制移动电站启动／停机，使用效果达
到了预期目标。在实际应用中也发现了一些问题，
如网络信号较差时，短信收发延时情况较为明显。
相信通过GSM模块无线发射功率的增强，以及无线
网络通信基站覆盖范围的不断加大，这些问题均能
得到很大改善。
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