火電行業(yè)工控系統(tǒng)信息安全關(guān)鍵技術(shù)研究

張東華

（安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司，安徽 蕪湖 241080）

0 引 言

電力企業(yè)是國家的重大關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施。電力系統(tǒng)安全運行對整個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定、人民生活水平的提高都具有重要影響。隨著兩化融合進(jìn)程的深入，越來越多的信息技術(shù)運用于工業(yè)場景，與工業(yè)控制技術(shù)相融合，推動了工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級；同時，也逐步打破了工業(yè)控制系統(tǒng)的“孤島”模式，導(dǎo)致蠕蟲、病毒、木馬、黑客攻擊等威脅向工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)滲透[1]。在全球范圍內(nèi)，針對電力系統(tǒng)的攻擊事件逐年增加，有的甚至影響到國家安全，如烏克蘭電網(wǎng)事件、委內(nèi)瑞拉大停電事件等。近年來，國家及電力行業(yè)在引進(jìn)消化、應(yīng)用自主、部分國產(chǎn)等方面采取了一系列的措施，但是由于信息技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，核心控制設(shè)備、基礎(chǔ)應(yīng)用軟件等工控系統(tǒng)主要部件依然大量采用國外產(chǎn)品，存在核心技術(shù)受制于人的安全隱患[2]。加強(qiáng)信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新在關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施上的應(yīng)用已經(jīng)勢在必行。

1 火電行業(yè)工控安全現(xiàn)狀與威脅分析

1.1 火電行業(yè)工控信息安全發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，電力行業(yè)是較早推進(jìn)工控信息系統(tǒng)安全管理的行業(yè)。早在2005年，原電監(jiān)會就制定了《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（電監(jiān)5號令），次年又制定了配套的《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（電監(jiān)34號令），用以指導(dǎo)和規(guī)范電力企業(yè)進(jìn)行電力二次系統(tǒng)的安全防護(hù)工作。

2014年，國家發(fā)改委發(fā)布了《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（第14號令），同時宣布電監(jiān)5號令就此廢止。2015年，國家能源局根據(jù)14號令的要求，制定了《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（國能36號文），方案確定了電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)體系的總體框架，提出了省級以上調(diào)度中心、地（縣）級調(diào)度中心、發(fā)電廠、變電站、配電等的電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)方案及電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)評估規(guī)范[3-4]。同時，結(jié)合等保的相關(guān)要求，逐步形成了較為完善的電力系統(tǒng)安全防護(hù)體系，即在原有的“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的基礎(chǔ)上增加了“綜合防護(hù)”的要求。

1.2 火電行業(yè)工控系統(tǒng)安全威脅分析

火電行業(yè)在控制系統(tǒng)安全防護(hù)方面是一名先行者，但是火電工控系統(tǒng)安全威脅及脆弱性依然在一些方面表現(xiàn)的較為嚴(yán)峻，火電安全防護(hù)工作一刻也不能放松。

（1）終端安全防護(hù)不足

火電企業(yè)現(xiàn)場主機(jī)多采用微軟Windows操作系統(tǒng)，由于現(xiàn)場條件限制無法定期更新操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件補(bǔ)丁，導(dǎo)致現(xiàn)場主機(jī)存在大量安全漏洞[5]。另外，傳統(tǒng)殺毒軟件在工控系統(tǒng)中的局限性，也導(dǎo)致工業(yè)主機(jī)缺乏對已知、未知威脅的有效防護(hù)。

（2）邊界安全防護(hù)不足

火電生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)部各個控制域之間、生產(chǎn)控制大區(qū)與第三方數(shù)據(jù)網(wǎng)之間缺乏有效的訪問控制措施，傳統(tǒng)的IT防護(hù)設(shè)備不能識別工控協(xié)議，不能甄別出應(yīng)用側(cè)帶來的安全風(fēng)險。

（3）國產(chǎn)設(shè)備占有率不足

火電企業(yè)雖然進(jìn)行過一系列的國產(chǎn)化舉措，但由于我國信息技術(shù)發(fā)展的滯后性，電力監(jiān)控系統(tǒng)中國外設(shè)備依然占據(jù)主導(dǎo)地位；另外，現(xiàn)有的電力安全防護(hù)設(shè)備多采用非自主架構(gòu)，缺乏具有自主產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行替代。加之缺乏專業(yè)的測評、測試工具，可能存在著難以預(yù)料的風(fēng)險[6]。

（4）自身安全風(fēng)險認(rèn)識不足

缺乏有效的風(fēng)險評估、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的設(shè)備和專業(yè)的信息安全人才，無法定期開展風(fēng)險評估工作，無法識別、監(jiān)測現(xiàn)階段工控系統(tǒng)中面臨的問題，并提出針對性的解決方案。

2 火電行業(yè)工控系統(tǒng)關(guān)鍵防護(hù)技術(shù)

2.1 火電行業(yè)工控系統(tǒng)風(fēng)險評估技術(shù)

火電行業(yè)依據(jù)國能36號文要求，需要對電力監(jiān)控系統(tǒng)總體防護(hù)水平進(jìn)行安全評估。安全評估貫穿于電力監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、實施、運維和廢棄整個階段。

風(fēng)險評估本質(zhì)上是對工業(yè)控制系統(tǒng)所可能受到的各種外界威脅或資源缺失等情況的提前預(yù)估判定，使其信息安全標(biāo)準(zhǔn)可以得到有效衡量，突出系統(tǒng)中所存在的弱點和威脅程度，并根據(jù)具體信息明確其危機(jī)風(fēng)險，再制定針對性的解決方案，以此確保工業(yè)控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)高效的運行[7]。

由于工控系統(tǒng)和傳統(tǒng)IT信息系統(tǒng)存在較大的差異性?；痣姽た叵到y(tǒng)在進(jìn)行風(fēng)險評估的時候，不能完全照搬傳統(tǒng)信息安全風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)GB/T20984，一定要找到適合火電工控系統(tǒng)實際的風(fēng)險評估方法和工具，確保安全。

2.2 火電行業(yè)工控系統(tǒng)各層次關(guān)鍵防護(hù)技術(shù)

火電行業(yè)工控系統(tǒng)各層次關(guān)鍵防護(hù)技術(shù)研究主要以火電行業(yè)工控系統(tǒng)、工業(yè)環(huán)境、技術(shù)要求等特殊性為基礎(chǔ)，研究分析適合火電工控系統(tǒng)安全防護(hù)的適用性技術(shù)，同時加強(qiáng)規(guī)范管理、完善安全策略、增強(qiáng)控制系統(tǒng)的信息安全功能[8]。

（1）工控漏洞挖掘與檢測技術(shù)

工控漏洞挖掘與檢測技術(shù)主要包含未知漏洞的挖掘和已知漏洞的檢測。工控漏洞是工控系統(tǒng)攻防雙方關(guān)注的焦點。掌握工控系統(tǒng)漏洞挖掘與檢測技術(shù)，是做好工控系統(tǒng)安全防護(hù)的前提[9]。漏洞挖掘是對協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、源代碼、二進(jìn)制代碼、中間語言代碼中IDE漏洞特別是未知漏洞進(jìn)行主動發(fā)現(xiàn)的過程[10]。漏洞檢測技術(shù)主要針對已知漏洞通過發(fā)送測試用例，觀察、驗證漏洞存在的對應(yīng)的反應(yīng)的過程。

（2）白名單快速過濾技術(shù)

工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較固定，資產(chǎn)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)流向等都比較單一、固定；傳統(tǒng)的黑名單過濾機(jī)制在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換防護(hù)時，需要逐一對比特征庫，匹配則攔截；而白名單過濾機(jī)制在同樣的過程中只需要對比白名單庫，匹配則放行。白名單思路是“枚舉所有合法事項”，所有非白事項均拒絕或進(jìn)行處理，相對來說更快捷，更適合對數(shù)據(jù)延遲要求較高的火電行業(yè)[11]。白名單快速過濾流程如圖1所示。

圖1 白名單快速過濾流程

（3）網(wǎng)絡(luò)抓包分析技術(shù)

工控網(wǎng)絡(luò)抓包分析技術(shù)是從微觀上保證工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的技術(shù)手段，通過捕獲工控網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計和解析，為制定安全策略及進(jìn)行安全審計提供直接的依據(jù)。在抓包分析技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行工控協(xié)議安全分析和工控協(xié)議深度解析，可以借助工具進(jìn)行模糊攻擊測試，發(fā)現(xiàn)被測協(xié)議中可能存在的安全漏洞；也可以利用抓包分析技術(shù)進(jìn)一步解析工控協(xié)議，識別數(shù)據(jù)包中的功能指令，做到更精準(zhǔn)的防護(hù)。

（4）單向?qū)爰夹g(shù)

單向?qū)爰夹g(shù)的工作原理類似于“二極管”單向?qū)щ姷奶匦裕捎糜布軜?gòu)設(shè)計使數(shù)據(jù)僅能從外網(wǎng)主機(jī)（非信任端）傳輸至內(nèi)網(wǎng)主機(jī)（信任端），中間沒有任何形式的反饋信號，所有需要“握手”確認(rèn)的通信協(xié)議在信息單向?qū)胂到y(tǒng)中都會失去意義，電力系統(tǒng)中的電力專用單向隔離裝置就是采用這種技術(shù)[12]。

（5）工控威脅監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

工控威脅監(jiān)測預(yù)警技術(shù)通過內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，對底層數(shù)據(jù)采集引擎上報的告警數(shù)據(jù)、日志進(jìn)行分析、挖掘和關(guān)聯(lián)，將有關(guān)節(jié)點的任意類型日志、告警串聯(lián)起來形成完整的日志鏈，從而發(fā)現(xiàn)異常行為和嫌疑地址，形成對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的感知，并且可對未來網(wǎng)絡(luò)的安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，滿足網(wǎng)絡(luò)空間可管理、可控制、可追溯的實時監(jiān)控運行需求，其技術(shù)架構(gòu)如圖2所示[13]。

圖2 工控威脅監(jiān)測預(yù)警技術(shù)架構(gòu)

3 火電行業(yè)工控安全關(guān)鍵防護(hù)方案

3.1 采用基于“信創(chuàng)”技術(shù)的工控安全產(chǎn)品

在過去，我國IT底層標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)、產(chǎn)品、生態(tài)大多數(shù)由國外IT巨頭來制定，存在諸多的安全風(fēng)險。

現(xiàn)階段，隨著我國信息化進(jìn)程不斷深入，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)獲得了較大發(fā)展，芯片、集成電路、基礎(chǔ)軟件等一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的研發(fā)，提高了我國信息產(chǎn)業(yè)的競爭力[14]。

信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，簡稱“信創(chuàng)”，作為“新基建”的重要內(nèi)容，也出現(xiàn)了一個現(xiàn)象級的風(fēng)口。下一步，“信創(chuàng)”技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中將逐步展開?；痣娮鳛閲抑匾年P(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，理應(yīng)成為“信創(chuàng)”技術(shù)在工控安全領(lǐng)域應(yīng)用的先行者。目前，國內(nèi)一些安全廠商發(fā)布的“信創(chuàng)”技術(shù)工控安全產(chǎn)品，已經(jīng)在多個行業(yè)取得了不錯的應(yīng)用效果。

3.2 落實工控系統(tǒng)安全風(fēng)險評估工作

工控系統(tǒng)安全風(fēng)險評估是開展工控安全防護(hù)工作的前提?；痣姽た叵到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多，多年的生產(chǎn)運行導(dǎo)致很多設(shè)備進(jìn)行過更換、維修，加之運維人員的流動，很多火電企業(yè)拿不出符合反映實際工控現(xiàn)場的資產(chǎn)列表、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞荣Y料，給安全防護(hù)工作帶了難題；因此，定期開展工控系統(tǒng)風(fēng)險評估工作是很有必要的。風(fēng)險評估結(jié)果也是建立工控安全防護(hù)策略的有效依據(jù)。

3.3 典型火電企業(yè)工控系統(tǒng)信息安全防護(hù)架構(gòu)

典型的火電工控系統(tǒng)信息安全防護(hù)架構(gòu)參照國能36號文以及網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)2.0相關(guān)要求來制定，引入了縱深防御的防護(hù)理念，結(jié)合了火電工控系統(tǒng)的特殊性，如圖3所示。

圖3 典型火電企業(yè)工控系統(tǒng)信息安全防護(hù)架構(gòu)

整體設(shè)計思路延續(xù)了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的防護(hù)方針，重點對“綜合防護(hù)”方面進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，增加了日志審計、網(wǎng)絡(luò)行為審計、主機(jī)防護(hù)、入侵檢測、集中管理等模塊。同時，為了保證工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性，所有工控安全設(shè)備單獨組網(wǎng)，并遵循“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的組網(wǎng)要求。

4 結(jié) 語

安全是發(fā)展的前提，發(fā)展是安全的保障，安全與發(fā)展是一體兩翼、驅(qū)動之雙輪，安全與發(fā)展要同步推進(jìn)[15]。本文在充分了解火電工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和安全現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合火電行業(yè)實際情況，對其控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并提出了基于“信創(chuàng)”體系的工控安全解決方案?；痣娦袠I(yè)屬于國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，面對依然嚴(yán)峻的工控安全態(tài)勢，電力企業(yè)必須保持清醒頭腦，隨時準(zhǔn)備迎接安全威脅的挑戰(zhàn)。