工业控制系统安全现状与风险分析省略CS工业控制系统安全精

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1、c o m p u t e rs e c u r i t y工控安全专题导语 :本文将从 IT 领域熟悉的信息安全管理体系的基本理论和潜在威胁的角度,借鉴国际上有关工业控 制系统安全保护要求及标准,分析当前我国工业控制系统存在的风险,并提出一套基于 I C S 系统的威胁发 现与识别模型。工业控制系统安全现状与风险分析 ICS 工业控制系统安全风险分析之一张 帅2011年 11月 12日,待测伊朗弹道导弹收到控 制指令后突然爆炸。事故经媒体披露,迅速引发各 国政府与安全机构的广泛关注,对真凶的质疑直指 曾攻击布什尔核电站工业控制系统的 Stuxnet 蠕虫 病毒。截至目前,事故真相与细节并未公

2、布,但工 业控制系统长期存在的风险隐患却已是影响国家关 键基础设施稳定运行重要因素,甚至威胁到国家安 全战略实施。为此工信部于 2011年 10月份发布文 件,要求加强国家主要工业领域基础设施控制系统 与 SCADA 系统的安全保护工作。1 工业控制系统介绍工业控制系统(Industrial Control Systems, ICS ,是由各种自动化控制组件以及对实时数据进 行采集、监测的过程控制组件,共同构成的确保工 业基础设施自动化运行、过程控制与监控的业务流 程管控系统。其核心组件包括数据采集与监控系统 (SCADA 、分布式控制系统(DCS 、可编程逻辑 控制器(PLC 、远程终端(R

3、TU 、智能电子设备 (IED ,以及确保各组件通信的接口技术。目前工业控制系统广泛地应用于我国电力、水 利、污水处理、石油天然气、化工、交通运输、制 药以及大型制造行业,其中超过 80%的涉及国计民 生的关键基础设施依靠工业控制系统来实现自动化 作业,工业控制系统已是国家安全战略的重要组成 部分。一次典型的 I C S 控制过程通常由控制回路、 H M I、远程诊断与维护工具三部分组件共同完成, 控制回路用以控制逻辑运算,H M I 执行信息交互, 远程诊断与维护工具确保出现异常的操作时进行诊 断和恢复。见图 1。图 1 典型的 ICS 操作过程SCADA(Supervisory Contr

4、ol And Data Acquisition数据采集与监控系统,是工业控制系 统的重要组件,通过与数据传输系统和 HMI 交互, SCADA 可以对现场的运行设备进行实时监视和控 制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节 以及各类信号报警等各项功能。目前,SCADA 广c o m p u t e rs e c u r i t y 工控安全专题泛应用于水利、电力、石油化工、电气化、铁路等分布式工业控制系统中。图 2 SCADA系统总体布局DCS(Distributed Control Systems分布式 控制系统,广泛应用于基于流程控制的行业,例如 电力、石化等行业分布式作业,实现对各个

5、子系统 运行过程的整理管控。PLC(Programmable Logic Controllers可 编程逻辑控制器,用以实现工业设备的具体操作与 工艺控制。通常 SCADA 或 DCS 系统通过调用各 P C L 组件来为其分布式业务提供基本的操作控制, 例如汽车制造流水线等。2 工业控制系统安全现状与传统的信息系统安全需求不同,I C S 系统设 计需要兼顾应用场景与控制管理等多方面因素,以 优先确保系统的高可用性和业务连续性。在这种设 计理念的影响下,缺乏有效的工业安全防御和数据 通信保密措施是很多工业控制系统所面临的通病。据权威工业安全事件信息库 RISI(Repository of S

6、ecurity Incidents统计,截止 2011年 10月, 全球已发生 200余起针对工业控制系统的攻击事件。 见图 3。图 3 1982-2009工业系统攻击事件由上图可见,2001年后,通用开发标准与互联 网技术的广泛使用,使得针对 ICS 系统的攻击行为 出现大幅度增长,I C S 系统对于信息安全管理的需 求变得更加迫切。纵观我国工业控制系统的整体现状,西门子、 洛克韦尔、I G S S 等国际知名厂商生产的工控设备 占据主动地位,由于缺乏核心知识产权和相关行业管理实施标准,在愈发智能开放的 ICS 系统架构与 参差不齐的网络运维现实前,存储于控制系统、数 据采集与监控系统、现

7、场总线以及相关联的 E R P、 CRM、SCM 系统中的核心数据、控制指令、机密 信息随时可能被攻击者窃取或篡改破坏。作为一项 复杂而繁琐的系统工程,保障工业系统的信息安全 除了需要涉及工业自动化过程中所涉及到的产品、 技术、操作系统、网络架构等因素,企业自身的管 理水平更直接决定了 ICS 系统的整体运维效果。遗 憾的是当前我国网络运维现实,决定了国内 ICS 系 统的安全运维效果并不理想,安全风险存在于管理、 配置、架构的各个环节。借鉴 IT 安全领域 ISO27001信息安全管理体系 和风险控制的成功经验,综合工业控制网络特点以 及工业环境业务类型、组织职能、位置、资产、技 术等客观因

8、素,对工业控制系统构建 ICS 信息安全 管理体系,是确保工业控制系统高效稳定运行的理 论依据。3 工业控制系统安全风险分析3.1 风险分析工业控制系统是我国重要基础设施自动化生产 的基础组件,安全的重要性可见一斑,然而受到核心技术限制、系统结构复杂、缺乏安全与管理标准 等诸多因素影响,运行在 ICS 系统中的数据及操作 指令随时可能遭受来自敌对势力、商业间谍、网络犯罪团伙的破坏。根据工信部关于加强工业控制c o m p u t e r s e c u r i t y 工控安全专题系统信息安全管理的通知要求,我国工业控制系 统信息安全管理的重点领域包括核设施、钢铁、有 色、化工、石油石化、电力

9、、天然气、先进制造、 水利枢纽、环境保护、铁路、城市轨道交通、民 航、城市供水供气供热以及其他与国计民生紧密相 关的领域。这些领域中的工业控制系统一旦遭到破 坏,不仅会影响产业经济的持续发展,更会对国家 安全造成巨大的损害。典型工业控制系统入侵事件 :(1 2007年,攻击者入侵加拿大的一个水利 SCADA 控制系统,通过安装恶意软件破坏了用于 取水调度的控制计算机 ;(2 2008年,攻击者入侵波兰某城市的地铁系 统,通过电视遥控器改变轨道扳道器,导致 4节车 厢脱轨 ;(3 2010年, “网络超级武器”Stuxnet 病毒通 过针对性的入侵 ICS 系统,严重威胁到伊朗布什尔 核电站核反

10、应堆的安全运营 ;(4 2011年,黑客通过入侵数据采集与监控系 统 SCADA,使得美国伊利诺伊州城市供水系统的 供水泵遭到破坏。通过分析可以发现,造成工业控制系统安全风 险加剧的主要原因有两方面 :第一,传统工业控制系统的出现时间要早于互 联网,它需要采用专用的硬件、软件和通信协议, 设计上以武力安全为主,基本没有考虑互联互通所 必须考虑的通信安全问题。第二,互联网技术的出现,导致工业控制网络 中大量采用通用 TCP/IP技术,工业控制系统与各 种业务系统的协作成为可能,愈加智能的 ICS 网络 中各种应用、工控设备以及办公用 P C 系统逐渐形 成一张复杂的网络拓扑。仅基于工控协议识别与

11、控制的安全解决方案在 两方面因素的合力下,已无法满足新形势下 ICS 网 络运维要求,确保应用层安全是当前 ICS 系统稳定 运营的基本前提。利用工控设备漏洞、TCP/IP协 议缺陷、工业应用漏洞,攻击者可以针对性地构建 更加隐蔽的攻击通道。以 Stuxnet 蠕虫为例,其充 分利用了伊朗布什尔核电站工控网络中工业 P C 与 控制系统存在的安全漏洞(LI K 文件处理漏洞、打 印机漏洞、RPC 漏洞、WinCC 漏洞、S7项目文件 漏洞以及 Autorun.inf 漏洞 ,为攻击者入侵提供 了七条隐蔽的通道。图 4 Stuxnet蠕虫病毒传播的七条途径3.2 脆弱性分析工业控制系统的安全性和

12、重要性直接影响到国 家战略安全实施,但为兼顾工业应用的场景和执行 效率,在追求 ICS 系统高可用性和业务连续性的过 程中,用户往往会被动地降低 ICS 系统的安全防御 需求。识别 ICS 存在的风险与安全隐患,实施相应 的安全保障策略是确保 ICS 系统稳定运行的有效手 段。1 安全策略与管理流程的脆弱性追求可用性而牺牲安全,这是很多工业控制系 统存在普遍现象,缺乏完整有效的安全策略与管理 流程是当前我国工业控制系统的最大难题,很多已 经实施了安全防御措施的 ICS 网络仍然会因为管理 或操作上的失误,造成 ICS 系统出现潜在的安全短 板。例如,工业控制系统中的移动存储介质的使用 和不严格

13、的访问控制策略。作为信息安全管理的重要组成部分,制定满足c o m p u t e rs e c u r i t y 工控安全专题业务场景需求的安全策略,并依据策略制定管理流 程,是确保 ICS 系统稳定运行的基础。参照 NERC CIP、 ANSI/ISA-99、IEC 62443等国际标准,目 前我国安全策略与管理流程的脆弱性表现为 :(1缺乏 ICS 的安全策略 ;(2缺乏 ICS 的安全培训与意识培养 ;(3缺乏安全架构与设计(4缺乏根据安全策略制定的正规、可备案的 安全流程 ;(5缺乏 ICS 安全审计机制 ;(6缺乏针对 ICS 的业务连续性与灾难恢复计划;(7缺乏针对 ICS 配

14、置变更管理。2 工控平台的脆弱性随着 TCP/IP等通用协议与开发标准引入工业 控制系统,开放、透明的工业控制系统同样为物联 网、云计算、移动互联网等新兴技术领域开辟出广 阔的想象空间。理论上,绝对的物理隔离网络正因 为需求和业务模式的改变而不再切实可行。目前,多数 I C S 网络仅通过部署防火墙来保证 工业网络与办公网络的相对隔离,各个工业自动 化单元之间缺乏可靠的安全通信机制,例如基于 DCOM 编程规范的 OPC 接口几乎不可能使用传统 的 I T 防火墙来确保其安全性。数据加密效果不佳, 工业控制协议的识别能力不理想,加之缺乏行业标 准规范与管理制度,工业控制系统的安全防御能力 十分

15、有限。旨在保护电力生产与交通运输控制系统安全的 国际标准 NERC CIP 明确要求,实施安全策略确 保资产安全是确保控制系统稳定运行的最基本要求。 将具有相同功能和安全要求的控制设备划分到同一 区域,区域之间执行管道通信,通过控制区域间管 道中的通信内容是目前工业控制领域普遍被认可的 安全防御措施。另一种容易忽略的情况是,由于不同行业的应 用场景不同,其对于功能区域的划分和安全防御的 要求也各不相同,而对于利用针对性通信协议与应 用层协议的漏洞来传播的恶意攻击行为更是无能为 力。更为严重的是,工业控制系统的补丁管理效果 始终无法令人满意,考虑到 ICS 补丁升级所存在的 运行平台与软件版本限

16、制,以及系统可用性与连续 性的硬性要求,I C S 系统管理员绝不会轻易安装非 I C S 设备制造商指定的升级补丁。与此同时,工业 系统补丁动辄半年的补丁发布周期,也让攻击者有 较多的时间来利用已存在的漏洞发起攻击。著名的 工业自动化与控制设备提供商西门子就曾因漏洞公 布不及时而饱受质疑。据金山网络企业安全事业部统计,2010-2011年间,已确认的针对工业控制系统攻击,从攻击代 码传播到样本被检测确认,传统的安全防御机制通 常需要两个月左右的时间,而对于例如 Stuxnet 或 更隐蔽的 D u q u 病毒,其潜伏期更是长达半年之久。 无论是针对工业系统的攻击事件,还是更隐蔽且持 续威胁的 A P T 攻击行为,基于黑名单或单一特征 比对的信息安全解决方案都无法有效防御,更不要