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袁曉舒，桑梓 中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院

王東 北京啟明星辰信息安全技術(shù)有限公司

1　概述

電力行業(yè)作為國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行，因而非常重要。國(guó)家對(duì)電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全非常重視，在網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)的基礎(chǔ)上，《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》、《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》對(duì)電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全工作提出了具體的要求[1]。

遵照“縱向加密、橫向隔離”的原則，電力監(jiān)控系統(tǒng)的邊界防護(hù)已經(jīng)較為完善，進(jìn)一步增強(qiáng)控制系統(tǒng)內(nèi)部的安全防護(hù)，找出控制系統(tǒng)內(nèi)部存在的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞并進(jìn)行修補(bǔ)應(yīng)成為未來(lái)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。該項(xiàng)工作對(duì)研究平臺(tái)、研究人員和研究資金的投入要求較高，因此這方面研究開(kāi)發(fā)工作的進(jìn)展和用戶(hù)的需求還有很大距離。中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院從自身業(yè)務(wù)需求出發(fā)，結(jié)合電網(wǎng)行業(yè)的實(shí)際需要，在過(guò)去幾年對(duì)電站和電網(wǎng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞進(jìn)行了初步的研究，對(duì)發(fā)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全未知漏洞后的處理進(jìn)行了初步的探索。

2　電站控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞研究

2.1　火電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞

火力發(fā)電目前是我國(guó)的主要電力來(lái)源，通過(guò)對(duì)火電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞研究發(fā)現(xiàn)，火電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全脆弱性不容忽視。

火電控制系統(tǒng)一般是由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）、模擬量控制系統(tǒng)（ M C S ） 、鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）、汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（TSS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、旁路控制系統(tǒng)（BCS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）等部分構(gòu)成[2-3]。隨著電廠控制一體化技術(shù)的發(fā)展，新建電廠項(xiàng)目和已有電廠的改造項(xiàng)目逐漸采用集散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐、電的一體化控制，以覆蓋CCS、SCS、DEH等系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能[4-5]。部分項(xiàng)目進(jìn)一步對(duì)控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了一體化改造[6]。

DCS系統(tǒng)主要由過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)構(gòu)成。過(guò)程級(jí)主要包括分布式控制器、過(guò)程儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、I/O單元等，操作級(jí)主要包括操作員站、工程師站、歷史站、控制服務(wù)器等，管理級(jí)主要包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)等[7]。DCS最小系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 DCS最小系統(tǒng)

DCS采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行通信，對(duì)通信速率和實(shí)時(shí)性要求高。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，DCS逐漸采用工業(yè)以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)分布式控制器之間、控制器與操作站之間的實(shí)時(shí)通信，例如IEEE1588、Profinet、Ethernet/IP等。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展助推了DCS操作站和控制器的更新?lián)Q代。主流DCS系統(tǒng)的操作站多采用基于Windows的操作系統(tǒng)，分布式控制器多采用基于Vxworks或定制Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)的組態(tài)軟件采用基于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的常用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，例如C、Java等。因此，基于DCS技術(shù)的火電控制系統(tǒng)可能存在諸多安全隱患。

通過(guò)對(duì)多個(gè)品牌的國(guó)內(nèi)和國(guó)外火電控制系統(tǒng)進(jìn)行漏洞掃描發(fā)現(xiàn)，除了我們已經(jīng)熟知的控制系統(tǒng)操作員站存在大量已知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，如圖2所示，控制系統(tǒng)自身也存在不少已知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞。

圖2 DCS操作站漏洞統(tǒng)計(jì)

除了已知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，火電控制系統(tǒng)還普遍存在未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，如：弱口令漏洞、拒絕服務(wù)漏洞、訪問(wèn)控制漏洞、溢出漏洞等。這些漏洞大多沒(méi)有被公布到CVE、CNVD、CNNVD等漏洞庫(kù)成為已知漏洞，因而也就沒(méi)有漏洞修補(bǔ)方案和對(duì)應(yīng)的防范措施，很容易被惡意利用。

為驗(yàn)證火電控制系統(tǒng)漏洞的危害，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，我們以某火電廠汽輪機(jī)組實(shí)際控制系統(tǒng)、控制邏輯、汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型搭建了火電汽輪機(jī)組的控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)，利用該控制系統(tǒng)的一個(gè)未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞對(duì)汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了攻擊。攻擊導(dǎo)致汽輪機(jī)飛車(chē)，但由于控制系統(tǒng)被攻擊，監(jiān)控界面上一切正常，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致汽輪機(jī)飛車(chē)事故的仿真測(cè)試

2.2　風(fēng)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞

隨著新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中占比的增加，風(fēng)電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞正在成為電力系統(tǒng)新的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源。

風(fēng)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要包括就地控制站和SCADA系統(tǒng)，其中，就地控制站包含主控制器、變槳控制器、變流器等部件[8-10]。不同于火電控制系統(tǒng)的分布式控制方法，風(fēng)電控制系統(tǒng)常常采用集中式控制方法，以可編程邏輯控制器PLC作為控制系統(tǒng)的主體，在集控室以少量操作站搭載SCADA系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視和控制功能[11]。

借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，PLC的硬件架構(gòu)逐步向Intel x86和ARM架構(gòu)靠攏，操作系統(tǒng)也逐漸統(tǒng)一成Vxworks、Linux、WinCE等主流操作系統(tǒng)[12]。同時(shí)，SCADA系統(tǒng)的軟件平臺(tái)亦逐漸統(tǒng)一為基于Windows或Linux商業(yè)發(fā)布版本的操作系統(tǒng)。因此，風(fēng)電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題日益嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)主流風(fēng)電控制系統(tǒng)產(chǎn)品的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電控制系統(tǒng)也存在弱口令漏洞、拒絕服務(wù)漏洞、訪問(wèn)控制漏洞、溢出漏洞等網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，由于某些風(fēng)電控制系統(tǒng)和風(fēng)電SCADA還采用了B/S架構(gòu)，因此還存在一些B/S系統(tǒng)自身的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。從CVE、CNVD、CNNVD查詢(xún)結(jié)果看，風(fēng)電控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品公開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞不多，而從我們的實(shí)際研究中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電控制系統(tǒng)中存在的大量未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，這些漏洞能夠造成諸如風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)等多種安全事故。

為驗(yàn)證風(fēng)電控制系統(tǒng)漏洞的危害，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，我們以某風(fēng)電廠風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際控制系統(tǒng)、控制邏輯、風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型搭建了風(fēng)電控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)，利用該控制系統(tǒng)的一個(gè)未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控進(jìn)行了攻擊。攻擊可以造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)立即不受控制的停止運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖4所示。

圖4 正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)不受控停機(jī)

2.3　智能變電站控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞

除了發(fā)電廠控制系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，電網(wǎng)控制系統(tǒng)同樣存在網(wǎng)絡(luò)安全漏洞。以智能變電站為例，基于IEC61850協(xié)議的通信系統(tǒng)、控制保護(hù)設(shè)備、SCADA系統(tǒng)均存在網(wǎng)絡(luò)安全隱患。

智能變電站為典型的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)：站控層、間隔層、過(guò)程層，站控層網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)[13-14]。過(guò)程層的設(shè)備是直接面向電力系統(tǒng)的一次設(shè)備，主要是智能終端和合并單元，部署在一次設(shè)備旁。過(guò)程層設(shè)備主要采用IEC61850 Goose和SV協(xié)議與間隔層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。間隔層設(shè)備主要包括測(cè)控裝置、保護(hù)裝置、故障錄波設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析設(shè)備。站控層包括時(shí)間同步系統(tǒng)、監(jiān)控站和遠(yuǎn)動(dòng)測(cè)控站。站控層與間隔層設(shè)備之間通過(guò)基于TCP/IP的IEC61850 MMS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

智能變電站控制系統(tǒng)自身存在的信息安全漏洞是控制系統(tǒng)信息安全脆弱性的主要來(lái)源，這些漏洞主要針對(duì)間隔層和過(guò)程層的各類(lèi)設(shè)備和終端，包括嵌入式操作系統(tǒng)漏洞、嵌入式應(yīng)用軟件漏洞等。研究表明，智能變電站控制系統(tǒng)存在的未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞可以被利用進(jìn)行攻擊，攻擊可以造成刀閘不受控的開(kāi)閉，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大危害，如圖5所示。

圖5 智能變電站刀閘分合閘不受控

2.4　電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞挖掘方法

電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞挖掘可以分為基于終端軟件分析的漏洞挖掘和基于協(xié)議測(cè)試的漏洞挖掘等。終端軟件包括各種業(yè)務(wù)軟件，比如SCADA、HMI、組態(tài)軟件等，也包括基礎(chǔ)軟件，比如SSH、Telnet、FTP、HTTP等，還包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比如Vxworks、定制Linux等。針對(duì)SCADA、HMI等直接運(yùn)行在Windows或Linux類(lèi)通用操作系統(tǒng)的上位機(jī)程序，除了滲透測(cè)試，通常還采用行為分析和動(dòng)態(tài)調(diào)試方法進(jìn)行漏洞挖掘。針對(duì)電力工控設(shè)備中內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和軟件，通常采用靜態(tài)反匯編和程序分析等方法進(jìn)行漏洞挖掘。

電力監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議包括工控專(zhuān)用協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)中的通用協(xié)議，采用模糊測(cè)試方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自動(dòng)化漏洞挖掘。模糊測(cè)試在通用協(xié)議測(cè)試中已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，比如SPIKE、PEACH，能直接用于對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)中的通用協(xié)議進(jìn)行漏洞挖掘。針對(duì)專(zhuān)用協(xié)議，需要根據(jù)圖6所示的模糊測(cè)試測(cè)準(zhǔn)框架對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用進(jìn)行改造，以適應(yīng)電力工控協(xié)議的規(guī)范和工控設(shè)備的特性。

圖6 模糊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)框架

針對(duì)某電力系統(tǒng)控制設(shè)備，我們基于終端軟件分析和協(xié)議模糊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)未知漏洞。利用這些漏洞，攻擊者可以完全地控制設(shè)備，造成嚴(yán)重后果。

3　電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞處理

未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞的發(fā)現(xiàn)只是開(kāi)始，完成漏洞的修補(bǔ)才是終點(diǎn)。從實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞發(fā)現(xiàn)、上報(bào)、通知、響應(yīng)、修補(bǔ)的全流程工作還有待進(jìn)一步完善。

目前，在發(fā)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題后，一般的處理流程是上報(bào)漏洞平臺(tái)，有的漏洞平臺(tái)在收到通報(bào)后會(huì)通知廠商進(jìn)行處理，在廠商推出補(bǔ)丁后進(jìn)行公布，有的漏洞平臺(tái)只收集整理上報(bào)的漏洞信息，并不跟蹤廠商對(duì)漏洞的修補(bǔ)。同時(shí)我集團(tuán)以通報(bào)的形式下發(fā)到使用該控制系統(tǒng)的相關(guān)集團(tuán)內(nèi)企業(yè)，這些企業(yè)會(huì)聯(lián)系控制系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商，在得到控制系統(tǒng)廠商的修補(bǔ)補(bǔ)丁后，由企業(yè)完成測(cè)試和最終用戶(hù)如發(fā)電企業(yè)的設(shè)備補(bǔ)丁升級(jí)，從實(shí)踐的情況看，由企業(yè)聯(lián)系控制系統(tǒng)廠商得到反饋和修補(bǔ)補(bǔ)丁的速度會(huì)快于漏洞平臺(tái)。

這樣的處理流程還存在著一些不足：

（1）電力監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備使用的控制系統(tǒng)出現(xiàn)的未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞是否應(yīng)報(bào)送給國(guó)外漏洞平臺(tái)存在爭(zhēng)論；

（2）電力監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備使用的控制系統(tǒng)出現(xiàn)的未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞報(bào)送國(guó)內(nèi)漏洞平臺(tái)后的處理速度較慢，處理流程尚未形成完全的閉環(huán)；

（3）一般網(wǎng)絡(luò)安全研究人員發(fā)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備使用的控制系統(tǒng)未知網(wǎng)絡(luò)安全漏洞在處理流程中，難以讓電力監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)鏈中的企業(yè)及時(shí)得到信息；

（4）現(xiàn)有的處理流程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)鏈中的各個(gè)角色還沒(méi)有完全進(jìn)入到處理流程中，這使得處理流程沒(méi)有完全形成閉環(huán)。

4　結(jié)語(yǔ)

電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是電力行業(yè)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，是國(guó)家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全的重要組成部分。通過(guò)幾年發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證、通報(bào)、修補(bǔ)電力監(jiān)控系統(tǒng)未知信息安全漏洞的研究和實(shí)踐工作，我們認(rèn)識(shí)到電力監(jiān)控系統(tǒng)還存在未知信息安全漏洞等待我們?nèi)ミM(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)，這項(xiàng)工作還需要電力行業(yè)主管部門(mén)、生產(chǎn)企業(yè)、工程公司、用戶(hù)單位等都參與進(jìn)來(lái)，進(jìn)一步完善電力監(jiān)控系統(tǒng)信息安全。

作者簡(jiǎn)介

袁曉舒，研究員，碩士，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)工控信息安全專(zhuān)委會(huì)委員，現(xiàn)就職于中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院，負(fù)責(zé)工控信息安全實(shí)驗(yàn)室，先后參與多個(gè)工控信息安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定，擔(dān)任企業(yè)、省和國(guó)家多個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全科研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，目前專(zhuān)注于電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)的控制系統(tǒng)信息安全研究。

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摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》專(zhuān)刊第四輯