工業(yè)以太網(wǎng)安全性問題研究

◆廖 游

（中國電子科技集團(tuán)第三十研究所 四川 610041）

隨著中國制造 2025計劃的提出[1]，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)上升到了國家戰(zhàn)略的層面上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全性問題，也越來越受到業(yè)界的重視。

根據(jù)國家信息漏洞共享平臺的統(tǒng)計，2017年就發(fā)現(xiàn)了超過1000條重大的信息安全漏洞。這其中涉及了絕大多數(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備供應(yīng)商，并且其中的高危漏洞占比更是達(dá)到了48.59%。根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)工業(yè)安全事件信息庫（RISI）的統(tǒng)計，僅在2017年，就發(fā)生了超過200起專門針對基礎(chǔ)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)所發(fā)起的攻擊，并且每一次的攻擊均造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

一般來說，絕大多數(shù)的攻擊都是利用了現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)的漏洞，來進(jìn)行惡意的攻擊和控制的。由于工業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)計之初是應(yīng)用在封閉的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的，所以其各種控制協(xié)議和策略均沒有考慮安全性的問題。但是隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，封閉的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已經(jīng)無法支持現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，并且互聯(lián)網(wǎng)化也是發(fā)展的趨勢。所以按照現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，攻擊者只需要獲得相應(yīng)的權(quán)限，便可以輕松進(jìn)行惡意的篡改和監(jiān)聽[3]。以著名的Stuxnet蠕蟲病毒為例，該病毒便是利用西門子工控機(jī)的協(xié)議缺乏認(rèn)證和加密的缺陷，使得攻擊者可以輕松進(jìn)行監(jiān)聽和攻擊，這次的惡意攻擊給伊朗的核電站造成了難以估量的損失。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的安全性問題分析

目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要安全問題解決方式，到目前為止仍然是IEC62443標(biāo)準(zhǔn)的安全解決方案[4]。但是這種安全解決方案，是偏向于系統(tǒng)級的。工業(yè)以太網(wǎng)所使用的協(xié)議是現(xiàn)場總線型協(xié)議，與IT系統(tǒng)有著較大的差異，所以在安全性的需求上也不同[5]。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的安全性問題主要出現(xiàn)在數(shù)據(jù)明文傳輸，容易被監(jiān)聽或篡改等方面。工業(yè)以太網(wǎng)控制協(xié)議主要有Modbus/Tcp、Ethernet/IP、OPC、DNP3這五種，下面將對其安全性問題進(jìn)行分析。

（1）Modbus/Tcp協(xié)議安全性問題

一個典型的Modbus/Tcp控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，多個PLC控制器與設(shè)備之間采用串行Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。

文獻(xiàn)[6]就指出了Modbus/Tcp控制系統(tǒng)在信息傳輸時，缺乏安全保護(hù)措施，容易受到洪泛攻擊、重放攻擊等安全性威脅。文獻(xiàn)[7]總結(jié)了Modbus/Tcp協(xié)議的主要安全性威脅，主要包括加密、認(rèn)證、效驗(yàn)、可編程、溢出、廣播風(fēng)暴等。

（2）Ethernet/IP協(xié)議安全性問題

Ethernet/IP是實(shí)時的通信協(xié)議，因?yàn)樵搮f(xié)議缺乏時間戳和加密操作，所以容易受到拒絕服務(wù)的攻擊，以及數(shù)據(jù)篡改和中間人攻擊等[8]。同時由于UDP之上的Ethernet/IP協(xié)議是無連接的，其并沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠性和完整性校驗(yàn)，這就會造成重放攻擊和拒絕服務(wù)攻擊的開展。總的來說Ethernet/IP協(xié)議存在著加密、認(rèn)證、重放、拒絕服務(wù)等安全性漏洞。

圖1 Modbus協(xié)議示意圖

（3）OPC協(xié)議安全性問題

OPC協(xié)議是一種中間協(xié)議，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號和軟件的數(shù)據(jù)通信。最新的OPC協(xié)議規(guī)范已經(jīng)進(jìn)行了安全性防護(hù)的補(bǔ)充，其可以在底層的數(shù)據(jù)通信中提供加密的需求，并且提供可靠性和完整性校驗(yàn)。雖然這些措施對整個協(xié)議的安全性有一定的提高，但是其仍然存在著認(rèn)證、DOS、主機(jī)等方面的安全性威脅[9]。

（4）DNP3協(xié)議安全性問題

DNP3是美國國家通信標(biāo)準(zhǔn)，其存在著DNP3-Sec和DNP3-SAv5兩個加強(qiáng)安全性的變種版本。DNP3-Sec主要是在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行安全性加強(qiáng)，DNP3-SAv5主要是在應(yīng)用層進(jìn)行安全性加強(qiáng)。雖然其在數(shù)據(jù)的認(rèn)證、加密、完整性校驗(yàn)、可靠性等方面有一定程度的提升，但是其仍然存在著拒絕服務(wù)、惡意篡改、惡意監(jiān)聽等安全性威脅[10]。

上述四種協(xié)議，在一定程度上都滿足了可用性和可靠性的要求，其對安全性的提升主要側(cè)重在完整性上。只有DNP3協(xié)議對信息安全的五項(xiàng)基本要求（保密性、完整性、可用性、可控性、不可否認(rèn)性）都做出了安全性的提升。但是某些研究也表明，DNP3協(xié)議仍然存在著安全性的問題[11]。

2 工業(yè)以太網(wǎng)的安全性問題解決方案

本文將從外部主動防護(hù)技術(shù)、內(nèi)部被動防護(hù)技術(shù)和協(xié)議本身的安全性改進(jìn)三個方面來進(jìn)行闡述。

（1）外部主動防護(hù)技術(shù)

外部主動防護(hù)系統(tǒng)部署在系統(tǒng)外部，主要有縱深防御技術(shù)、入侵檢測、入侵防御等等。

防火墻、網(wǎng)間隔離、白名單、黑名單、端口過濾等技術(shù)都屬于縱深防御技術(shù)。其也是目前來說可以有效確保工業(yè)控制系統(tǒng)安全的有效方法，其可以將工業(yè)控制設(shè)備分成多個“區(qū)”，如分軍事區(qū)、安全隔離區(qū)等等，再進(jìn)行安全策略的設(shè)計。目前國內(nèi)市場上的工業(yè)防火墻和網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備供應(yīng)商主要有三零衛(wèi)士、海天煒業(yè)、力控華康等[12]。其產(chǎn)品均可以在工控網(wǎng)絡(luò)中建立黑名單、白名單協(xié)議關(guān)鍵字段過濾等安全防護(hù)措施，這可以有效較低工控網(wǎng)絡(luò)的安全性威脅。

入侵檢測系統(tǒng)和入侵防御系統(tǒng)也是縱深防御技術(shù)重要的實(shí)現(xiàn)方式。其主要采用模式匹配的方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行辨析。入侵檢測系統(tǒng)是并聯(lián)旁路在系統(tǒng)中，它可以對系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)流量進(jìn)行監(jiān)測，并發(fā)現(xiàn)惡意數(shù)據(jù)。入侵防御系統(tǒng)是串聯(lián)在系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)需要通過入侵防御系統(tǒng)才可以進(jìn)行接收，其可以有效過濾惡意報文等[13]。

（2）內(nèi)部被動防護(hù)技術(shù)

內(nèi)部被動防護(hù)技術(shù)主要包括深度分組檢測和安全評估兩種方式。

深度分組檢測主要是流量統(tǒng)計和協(xié)議報文分析，其可以發(fā)現(xiàn)異常流量和異常數(shù)據(jù)，以便在問題出現(xiàn)之前將安全漏洞扼殺在搖籃中。

安全評估系統(tǒng)也是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全性解決方案中重要的組成部分，其通過對系統(tǒng)協(xié)議的分析，來對系統(tǒng)的整個安全性和可疑的攻擊進(jìn)行評估。安全性評估包含多種方法，主要有基于協(xié)議模型的方法、基于異常行為處理的方法、基于聚類分析的方法、基于中間件檢測的方法[14]。

（3）協(xié)議的安全性改進(jìn)

就目前技術(shù)來說，協(xié)議安全性改進(jìn)主要是通過加密和其他的安全協(xié)議承載傳輸數(shù)據(jù)這兩種方式來實(shí)現(xiàn)的。再細(xì)分又可以分為從端到端加密、鏈路加密、節(jié)點(diǎn)加密三種方式來實(shí)現(xiàn)[15]，如圖2所示。

圖2 協(xié)議安全改進(jìn)

3 總結(jié)

隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)、中國制造2025的推進(jìn)，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性問題顯得越來越重要，尤其是關(guān)乎國家安全的領(lǐng)域，如電網(wǎng)、核能等等。本文以協(xié)議為基礎(chǔ)，總結(jié)并闡述了現(xiàn)今的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中存在的安全性問題；并且從外部主動防護(hù)、內(nèi)部被動防護(hù)、協(xié)議改進(jìn)這三種方式來論述工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全性提升的方法。