工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)分析及防護(hù)策略研究

【關(guān)鍵詞】工業(yè)網(wǎng)絡(luò)；安全風(fēng)險(xiǎn)分析；防護(hù)策略

引言

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)，應(yīng)全面識(shí)別工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全面臨的各類風(fēng)險(xiǎn)，深入分析其產(chǎn)生根源與發(fā)展態(tài)勢(shì)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域，利用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，在同一局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)不同部門或設(shè)備組進(jìn)行邏輯劃分，建立冗余的網(wǎng)絡(luò)鏈路，采用多條通信線路連接到不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，部署備份服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)，并建立定期更新機(jī)制，定期對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行代碼審查和安全評(píng)估。此外，還應(yīng)強(qiáng)化身份認(rèn)證，建立統(tǒng)一的身份管理系統(tǒng)，為每個(gè)角色分配相應(yīng)的權(quán)限，定期對(duì)角色的權(quán)限進(jìn)行審查和更新，嚴(yán)格遵循最小權(quán)限原則[1]。

一、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

（一）外部攻擊風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)今高度數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)面臨著日益復(fù)雜且嚴(yán)峻的外部攻擊風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷、數(shù)據(jù)泄露，還會(huì)對(duì)公共安全造成嚴(yán)重威脅。病毒和蠕蟲通常通過感染工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備、電子郵件附件或惡意網(wǎng)頁(yè)鏈接進(jìn)行傳播，一旦工業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部用戶點(diǎn)擊或使用這些設(shè)備，病毒和蠕蟲便會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中迅速擴(kuò)散，病毒和蠕蟲會(huì)破壞工業(yè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，修改控制器中的程序邏輯，導(dǎo)致生產(chǎn)過程失控，使生產(chǎn)線上的設(shè)備出現(xiàn)異常動(dòng)作，如化工生產(chǎn)中的反應(yīng)釜溫度和壓力失控，引發(fā)爆炸或泄漏等嚴(yán)重事故。此外，病毒和蠕蟲還可以竊取工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的敏感數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)工藝參數(shù)、客戶訂單信息等，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給攻擊者，導(dǎo)致商業(yè)機(jī)密泄露[2]。

（二）內(nèi)部威脅風(fēng)險(xiǎn)

許多工業(yè)企業(yè)在員工的網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)培訓(xùn)方面存在不足，員工可能不了解工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全政策和操作規(guī)程，例如隨意使用未經(jīng)授權(quán)的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。在一些化工企業(yè)中，員工可能會(huì)將帶有病毒的U盤插入控制生產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，導(dǎo)致病毒傳播，影響生產(chǎn)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中心的工作人員可能誤操作刪除了關(guān)鍵的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)配置文件，導(dǎo)致部分地區(qū)的電力分配出現(xiàn)混亂，引發(fā)局部停電事故。部分員工可能因圖方便養(yǎng)成違規(guī)操作習(xí)慣，導(dǎo)致設(shè)備異常磨損損壞，增加企業(yè)設(shè)備維護(hù)成本；同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，如在電子產(chǎn)品制造中，違規(guī)操作可能導(dǎo)致電路板焊接不良，降低產(chǎn)品的可靠性。企業(yè)內(nèi)部可能存在個(gè)別員工被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手收買，成為商業(yè)間諜，其為了獲取企業(yè)的核心技術(shù)、生產(chǎn)工藝或客戶信息等商業(yè)機(jī)密，會(huì)利用自己的工作權(quán)限，故意竊取并泄露這些敏感信息。在高科技制造業(yè)中，商業(yè)間諜可能會(huì)通過植入惡意軟件或直接復(fù)制數(shù)據(jù)等方式，將企業(yè)正在研發(fā)的新產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)發(fā)送給競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手[3]。

（三）設(shè)備與系統(tǒng)漏洞風(fēng)險(xiǎn)

芯片作為硬件設(shè)備的核心大腦，其設(shè)計(jì)過程中的缺陷可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，部分芯片在設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分考慮到電磁兼容性和抗干擾能力，使得在復(fù)雜的工業(yè)電磁環(huán)境中，容易出現(xiàn)信號(hào)紊亂或被惡意干擾的情況。在一些高精度的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，芯片設(shè)計(jì)缺陷可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)微小偏差，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可能引發(fā)設(shè)備故障，芯片制造工藝的復(fù)雜性也帶來(lái)了諸多漏洞風(fēng)險(xiǎn)。由于制造過程中的污染、刻蝕精度不夠等問題，導(dǎo)致芯片內(nèi)部電路短路或斷路。在一些大規(guī)模集成電路制造中，如果制造工藝控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)芯片邏輯錯(cuò)誤，使設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常行為。許多設(shè)備缺乏自動(dòng)更新固件的機(jī)制，使得設(shè)備在面對(duì)新出現(xiàn)的安全漏洞時(shí)，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，一些工業(yè)攝像頭的固件多年未更新，其中存在已被公開的安全漏洞，攻擊者可以利用這些漏洞獲取攝像頭的控制權(quán)，進(jìn)而入侵整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，竊取生產(chǎn)過程中的視頻監(jiān)控資料，或者篡改視頻數(shù)據(jù)，干擾生產(chǎn)監(jiān)控。此外，固件代碼在編寫和開發(fā)過程中可能存在漏洞，許多工業(yè)設(shè)備配備的多種傳統(tǒng)接口在設(shè)計(jì)之初沒有充分考慮安全問題，缺乏必要的身份驗(yàn)證和加密機(jī)制，而且工業(yè)系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)由于各種原因，如與生產(chǎn)設(shè)備的兼容性測(cè)試周期長(zhǎng)、擔(dān)心補(bǔ)丁引入新的問題等，往往不能及時(shí)安裝最新的安全補(bǔ)丁[4]。

（四）供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)

硬件供應(yīng)商若在生產(chǎn)環(huán)節(jié)被攻擊者利用，會(huì)在供應(yīng)的硬件設(shè)備中植入惡意組件，在一些工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），若供應(yīng)商的生產(chǎn)環(huán)境被黑客入侵，可以在PLC的芯片或電路板上植入微型惡意芯片。這些惡意芯片可以在一定條件下激活，獲取工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的敏感信息，如生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給外部攻擊者，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)泄露。一些供應(yīng)商為降低成本，會(huì)使用不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的材料或零部件，部分軟件供應(yīng)商可能會(huì)因各種原因在軟件中預(yù)留后門或隱蔽功能。在一些工業(yè)企業(yè)管理軟件中，為了方便售后服務(wù)或數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置了隱藏的遠(yuǎn)程訪問接口，但沒有確保其安全性，攻擊者一旦發(fā)現(xiàn)并利用這些后門，就會(huì)繞過企業(yè)的安全防護(hù)機(jī)制，深入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，竊取企業(yè)的商業(yè)機(jī)密。工業(yè)設(shè)備從供應(yīng)商到用戶的運(yùn)輸過程中，可能會(huì)因各種原因遭受物理?yè)p壞。在一些特殊情況下，如化學(xué)品運(yùn)輸過程中，若運(yùn)輸車輛的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)超出規(guī)定范圍，會(huì)導(dǎo)致化學(xué)品泄漏或變質(zhì)。在物流配送過程中，涉及大量的訂單信息、收貨地址等敏感信息，若配送信息系統(tǒng)的安全措施薄弱，這些信息可能會(huì)被非法獲取[5]。

二、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)策略

（一）網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)安全加固

企業(yè)應(yīng)對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層分區(qū)設(shè)計(jì)，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與非關(guān)鍵業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理或邏輯隔離。在電力系統(tǒng)中，通過劃分不同的虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN），將發(fā)電機(jī)組的控制網(wǎng)絡(luò)與電廠的管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分開，防止辦公網(wǎng)絡(luò)的安全問題影響生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)。在不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間設(shè)置訪問控制策略，嚴(yán)格限制跨區(qū)域的數(shù)據(jù)流動(dòng)，對(duì)于從低安全等級(jí)區(qū)域向高安全等級(jí)區(qū)域的訪問，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的認(rèn)證和授權(quán)。在化工生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，只允許經(jīng)過特定認(rèn)證的維護(hù)設(shè)備在必要時(shí)訪問控制網(wǎng)絡(luò)，且訪問過程受到嚴(yán)格審計(jì)。企業(yè)應(yīng)建立網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路和設(shè)備備份機(jī)制，確保網(wǎng)絡(luò)在部分設(shè)備或鏈路故障時(shí)仍能保持正常運(yùn)行。在工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，采用雙核心交換機(jī)和環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)可以通過其他鏈路快速傳輸，保證生產(chǎn)的連續(xù)性，并定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)備和鏈路進(jìn)行測(cè)試和維護(hù)，確保其在需要時(shí)能夠正常切換工作，通過模擬網(wǎng)絡(luò)故障，檢驗(yàn)冗余設(shè)備的自動(dòng)切換功能和性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。企業(yè)應(yīng)及時(shí)安裝操作系統(tǒng)供應(yīng)商發(fā)布的安全補(bǔ)丁和更新，以修復(fù)已知的安全漏洞。對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵服務(wù)器和工作站，應(yīng)建立優(yōu)先更新機(jī)制。更新前，需對(duì)操作系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性進(jìn)行充分測(cè)試，避免因更新導(dǎo)致系統(tǒng)故障或與現(xiàn)有應(yīng)用程序沖突。如圖1所示，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全框架。

（二）訪問控制增強(qiáng)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，企業(yè)應(yīng)為每個(gè)用戶或用戶組分配精細(xì)的訪問權(quán)限。在化工生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)操作員可以被授予對(duì)生產(chǎn)過程監(jiān)控界面的讀取權(quán)限，以及對(duì)部分參數(shù)設(shè)置的修改權(quán)限。對(duì)于關(guān)鍵的系統(tǒng)配置信息和核心控制算法，僅允許系統(tǒng)管理員進(jìn)行訪問和修改，根據(jù)用戶的工作角色和職責(zé)變化，及時(shí)調(diào)整其訪問權(quán)限。同時(shí)對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的各種資源，如設(shè)備文件、數(shù)據(jù)庫(kù)記錄、應(yīng)用程序功能等進(jìn)行分類管理。對(duì)于包含敏感信息的資源，只有經(jīng)過授權(quán)的特定人員或系統(tǒng)在特定的條件下才能訪問這些資源，并采用路徑控制和命令限制的方法。企業(yè)應(yīng)為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的主客體分配安全標(biāo)簽，根據(jù)安全標(biāo)簽實(shí)施嚴(yán)格的訪問控制規(guī)則，高安全級(jí)別的主體只能訪問同等或更低安全級(jí)別的客體。例如，只有具有高安全級(jí)別權(quán)限的維護(hù)工程師才能對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行診斷和維護(hù)操作，而普通辦公人員無(wú)法訪問發(fā)電機(jī)設(shè)備的控制界面。企業(yè)可以采用格模型來(lái)規(guī)范主客體之間的訪問關(guān)系，BLP（BellLaPadula）模型中，信息的保密性是主要考慮因素，主體只能向下讀，向上寫。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，如在涉及企業(yè)商業(yè)機(jī)密的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中應(yīng)用該模型，可有效防止敏感信息泄露。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的用戶登錄過程中，除了傳統(tǒng)的用戶名和密碼認(rèn)證外，增加生物識(shí)別技術(shù)，如指紋識(shí)別、面部識(shí)別或虹膜識(shí)別。在汽車制造工廠的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，操作人員在輸入用戶名和密碼后，還需要通過指紋識(shí)別才能成功登錄系統(tǒng)，大大提高了身份認(rèn)證的準(zhǔn)確性和安全性，防止被偽造或篡改[6]。

（三）數(shù)據(jù)保護(hù)策略

應(yīng)定期進(jìn)行全量備份，每天進(jìn)行增量備份，僅備份當(dāng)天發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，需要恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)，可以先恢復(fù)最近的全量備份，再根據(jù)增量備份逐步恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，確定備份的時(shí)間窗口，在不影響正常生產(chǎn)的前提下進(jìn)行備份。對(duì)于一些關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)備份，可以設(shè)置在系統(tǒng)負(fù)載較低的時(shí)間段，如凌晨。考慮備份的頻率，對(duì)于重要的核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，備份頻率應(yīng)更高，采用多種存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，如磁帶庫(kù)、磁盤陣列和云存儲(chǔ)等，可以提供更快的數(shù)據(jù)讀寫速度，用于存儲(chǔ)近期需要頻繁訪問的備份數(shù)據(jù)。云存儲(chǔ)則提供了異地存儲(chǔ)的便利，可有效防止本地災(zāi)難導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，并對(duì)備份存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，確保磁帶的完整性、磁盤陣列的正常運(yùn)行以及云存儲(chǔ)服務(wù)的可靠性。定期對(duì)磁帶進(jìn)行讀取測(cè)試，檢查云存儲(chǔ)服務(wù)提供商的設(shè)施安全性和數(shù)據(jù)可用性[7]。企業(yè)應(yīng)制定詳細(xì)的數(shù)據(jù)恢復(fù)流程，明確在不同類型的數(shù)據(jù)丟失或損壞情況下應(yīng)采取的恢復(fù)步驟，進(jìn)行恢復(fù)演練，定期模擬數(shù)據(jù)丟失場(chǎng)景，檢驗(yàn)恢復(fù)流程的有效性和可行性。恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)，要確保數(shù)據(jù)的一致性，對(duì)于有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，如在供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)中，訂單數(shù)據(jù)、庫(kù)存數(shù)據(jù)和物流數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，恢復(fù)時(shí)要確保這些數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系正確。在企業(yè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，對(duì)于大量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以采用對(duì)稱加密算法進(jìn)行加密；對(duì)于關(guān)鍵的控制指令和重要的配置信息等數(shù)據(jù)，可采用非對(duì)稱加密算法，并建立完善的密鑰管理體系，確保密鑰的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性[8]。如圖2所示，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全總覽圖。

三、案例分析

某大型電力企業(yè)擁有龐大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括發(fā)電站的控制系統(tǒng)、輸電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)等。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)威脅的日益復(fù)雜，該企業(yè)面臨著嚴(yán)峻的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)，曾發(fā)生過因外部惡意軟件入侵導(dǎo)致部分發(fā)電機(jī)組運(yùn)行異常的事件，凸顯了加強(qiáng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的緊迫性。該企業(yè)在風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)中，根據(jù)業(yè)務(wù)功能和安全需求的不同，將整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)安全區(qū)域。在不同安全區(qū)域的邊界處部署高性能的工業(yè)級(jí)防火墻和單向網(wǎng)閘。在管理信息區(qū)與生產(chǎn)控制區(qū)之間設(shè)置單向網(wǎng)閘，只允許生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)從生產(chǎn)控制區(qū)流向管理信息區(qū)，而不允許外部指令直接傳入生產(chǎn)控制區(qū)，從而保障了關(guān)鍵生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在各個(gè)安全區(qū)域內(nèi)，進(jìn)一步采用VLAN技術(shù)對(duì)不同的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)或用戶群體進(jìn)行細(xì)分。企業(yè)建立了嚴(yán)格的身份認(rèn)證機(jī)制，采用多因素認(rèn)證方式，引入了基于角色的訪問控制模型，將用戶角色與特定的權(quán)限策略相關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)化了權(quán)限管理的復(fù)雜性，并對(duì)所有接入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行全面的接入管控。

結(jié)語(yǔ)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)面臨著多種風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。工業(yè)企業(yè)應(yīng)采取綜合的安全防護(hù)措施，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)防火墻建設(shè)、定期更新殺毒軟件和系統(tǒng)補(bǔ)丁。企業(yè)應(yīng)建立完善的漏洞監(jiān)測(cè)機(jī)制，加強(qiáng)設(shè)備與系統(tǒng)的更新管理，并加強(qiáng)供應(yīng)鏈安全管理，通過建立嚴(yán)格的供應(yīng)商評(píng)估機(jī)制，優(yōu)化物流配送流程，強(qiáng)化合作伙伴監(jiān)督等，確保供應(yīng)鏈的安全與穩(wěn)定；還應(yīng)重視訪問控制和安全防護(hù)措施的應(yīng)用，進(jìn)而確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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