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工業(yè)控制系統(tǒng)的安全功能失效不僅會(huì)由威脅主體通過網(wǎng)絡(luò)攻擊實(shí)現(xiàn)，也可能由系統(tǒng)內(nèi)部引起，因此工業(yè)控制系統(tǒng)的功能安全和信息安全在一定程度上并不是獨(dú)立的，建立一套有效的綜合安全量化評(píng)估體系有助于及時(shí)了解工業(yè)控制系統(tǒng)的安全指標(biāo)，并及時(shí)預(yù)防安全事故的發(fā)生。

為了建立綜合安全量化評(píng)估體系，要先闡述功能安全與信息安全的區(qū)別。各個(gè)領(lǐng)域的研究專家對(duì)功能安全與信息安全的認(rèn)識(shí)存在誤差，根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）發(fā)布的NISTSP-80053（聯(lián)邦政府信息和組織的安全控制措施），將ICS信息安全與功能安全的區(qū)別簡(jiǎn)要闡述，如表1所示。可以看出，功能安全與信息安全最主要的區(qū)別是功能安全的威脅來自內(nèi)部，由系統(tǒng)硬件失效或人為誤操作造成，而信息安全的威脅來自系統(tǒng)外部的黑客攻擊等行為。

表1 功能安全與信息安全屬性對(duì)比

搞清楚功能安全與信息安全的區(qū)別，有助于在建立工業(yè)控制系統(tǒng)模型時(shí)綜合考慮兩者的影響，進(jìn)而給出對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)最全面的安全量化。

2.1 層次化模型

在基于模糊層次分析法的工業(yè)控制系統(tǒng)安全量化評(píng)估中，最主要的是建立層次化模型。在國標(biāo)GB/T20984-2007中明確指出，將信息安全風(fēng)險(xiǎn)分析分為資產(chǎn)、脆弱性和威脅3個(gè)方面，攻擊者利用信息系統(tǒng)的脆弱性對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成安全威脅，并讓系統(tǒng)本身的資產(chǎn)受到損失。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國運(yùn)籌學(xué)專家SattyTL最先提出的，是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)的多準(zhǔn)則決策手段。在典型的層次化分析法中，將整個(gè)系統(tǒng)分為目標(biāo)層、要素層和評(píng)價(jià)層，類比信息安全分析的資產(chǎn)、威脅和脆弱性3要素，將層次分析法中的評(píng)價(jià)層表示為系統(tǒng)受到的各種安全攻擊，將要素層表示為系統(tǒng)的各種設(shè)備，將目標(biāo)層表示為系統(tǒng)的最終安全評(píng)價(jià)值。

應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，要先確定系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而對(duì)要分析的要素和評(píng)估對(duì)象有更深的認(rèn)識(shí)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T26333-201中提出的工控現(xiàn)場(chǎng)層次結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)劃分成企業(yè)管理層、過程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層3個(gè)層次，如圖1所示。由于過程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層與工業(yè)控制領(lǐng)域密切相關(guān)，因此在實(shí)際分析時(shí)，將采用過程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層作為系統(tǒng)的分析重點(diǎn)。

圖1 典型工業(yè)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2.2 攻擊樹模型

2.2.1 攻擊樹模型的基本概念

攻擊樹模型是Schneider在20世紀(jì)末提出來的一種用于描述系統(tǒng)所受攻擊的形象化方法，采用樹形結(jié)構(gòu)描述整個(gè)系統(tǒng)，將葉節(jié)點(diǎn)表示為具體的攻擊事件，將根節(jié)點(diǎn)表示為最終被攻擊的目標(biāo)。除了最下層的葉子節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)分為AND與OR兩種類型。在AND類型中，只要將根節(jié)點(diǎn)的下一層的所有葉子都完成，才能到達(dá)根節(jié)點(diǎn)。相反，在OR類型中，只需完成任何一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，就可以完成對(duì)根節(jié)點(diǎn)的攻擊。攻擊樹模型的AND與OR圖形化表示方法如圖2所示。

圖2 攻擊樹模型的AND與OR圖形化表示方法

2.2.2 擊樹模型葉子節(jié)點(diǎn)概率值的計(jì)算

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，經(jīng)常用攻擊事件所造成的損失與攻擊事件發(fā)生的概率值的乘積作為風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估值R，即：

在進(jìn)行根節(jié)點(diǎn)概率值計(jì)算時(shí)，要對(duì)葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指標(biāo)量化。根據(jù)美國工業(yè)控制系統(tǒng)安全指南中所定義的攻擊事件發(fā)生的概率受到攻擊成本、攻擊難度和攻擊被發(fā)現(xiàn)的可能性3個(gè)因素的影響，。在計(jì)算每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的概率值時(shí)，需考慮這3個(gè)屬性。根據(jù)多屬性效用原理，將以上3個(gè)屬性轉(zhuǎn)化成效用值，便可得到每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的概率值計(jì)算公式，即：

式（2）中，表示發(fā)生概率，與分別表示攻擊成本權(quán)重、攻擊難度權(quán)重和被發(fā)現(xiàn)的可能性權(quán)重，3個(gè)權(quán)重的和為1。在實(shí)例分析中，將采用模糊層次分析法確定這3個(gè)權(quán)重的具體值。分別表示攻擊事件的成本、難度和可能被發(fā)現(xiàn)的等級(jí)。、和分別代表攻擊成本、攻擊難度和攻擊被發(fā)現(xiàn)可能性的效用值。進(jìn)一步分析可以得出，、與與效用值成反比例關(guān)系。為了簡(jiǎn)化分析，這里取。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)概率值的計(jì)算

在求得每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的概率值后，便可求出根節(jié)點(diǎn)的概率值，下面分成AND與OR兩種情況討論：

（1）AND節(jié)點(diǎn)的概率值是各葉子節(jié)點(diǎn)概率值的乘積，即：

（2）OR節(jié)點(diǎn)是各葉子節(jié)點(diǎn)發(fā)生概率的最大值，即：

將FAHP運(yùn)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中解決實(shí)際的安全量化問題，一般分為4個(gè)步驟：（1）根據(jù)具體問題建立層次化分析模型；（2）構(gòu)建評(píng)價(jià)層元素對(duì)要素層和要素層對(duì)目標(biāo)層的兩兩判別矩陣；（3）由判別矩陣計(jì)算被比較元素的相對(duì)權(quán)重；（4）計(jì)算評(píng)價(jià)層與要素層的各元素的組合權(quán)重。

3.1 建立典型工控現(xiàn)場(chǎng)的層次化模型

以某電力設(shè)備系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)過程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層建立如圖3所示的基于FAPH的工控系統(tǒng)層次化分析模型。目標(biāo)層是工控系統(tǒng)的安全評(píng)估值，要素層是圖1中的各種系統(tǒng)設(shè)備，包括工程師站、操作員站、PLC和各種傳感器流量計(jì)以及無線設(shè)備。

圖3 基于FAHP的工控系統(tǒng)層次化分析模型

3.2 構(gòu)建兩兩判別矩陣

在完成對(duì)系統(tǒng)的層次化建模后，要定量分析每一層元素遭到破壞后對(duì)上一層元素的影響，進(jìn)而建立元素的相對(duì)重要性判別矩陣。為此，將采用0.1～0.9共9個(gè)標(biāo)度給兩個(gè)元素的相對(duì)重要性賦值，如表2所示。

表2　元素優(yōu)先關(guān)系數(shù)值標(biāo)度表

評(píng)價(jià)層的5種安全威脅的特殊性，使其對(duì)要素層某一設(shè)備的影響存在較大差異。根據(jù)表2可以建立5種攻擊方式對(duì)設(shè)備層的影響判別矩陣。以O(shè)PC服務(wù)器為例，受到來自評(píng)價(jià)層的5種攻擊方式的影響，根據(jù)受到攻擊后所造成的影響進(jìn)行判別賦值。數(shù)據(jù)篡改能夠讓攻擊者獲取OPC服務(wù)器的核心數(shù)據(jù)，且整個(gè)攻擊過程不易被發(fā)掘，將造成嚴(yán)重危害。拒絕服務(wù)讓OPC服務(wù)器失去對(duì)下層系統(tǒng)的控制能力，造成信息混亂等影響，但是這種讓系統(tǒng)失去控制能力的攻擊容易被發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)可以采取補(bǔ)救措施，影響相對(duì)較小。竊聽攻擊將導(dǎo)致OPC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被盜，相比數(shù)據(jù)篡改直接讓系統(tǒng)癱瘓來說影響較小。蠕蟲與木馬可以對(duì)OPC的服務(wù)程序進(jìn)行修改，使其喪失一部分的能力。

根據(jù)上述分析，邀請(qǐng)4位專家分別對(duì)這5種攻擊對(duì)OPC服務(wù)器的影響根據(jù)表2分別進(jìn)行賦值，得到判別賦值表如表3所示。表3中，每一個(gè)單元格包含4個(gè)元素，是4位專家對(duì)重要性的判別賦值，取單元格相同位置的元素組成判別矩陣。邀請(qǐng)多位專家是為了避免專家在評(píng)判過程中的主觀隨意性，使得評(píng)判的結(jié)果更具有說服力。

表3 OPC服務(wù)器評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性賦值

根據(jù)表3可以得到OPC服務(wù)器的4個(gè)判別矩陣：

同理，可以得到其他要素層各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的4個(gè)判別矩陣。根據(jù)要素層設(shè)備受到攻擊后對(duì)目標(biāo)層的影響大小，同樣可以建立要素層對(duì)目標(biāo)層的判別矩陣。工程師站受到攻擊后對(duì)目標(biāo)層的影響明顯大于操作員站；PLC對(duì)系統(tǒng)造成的損失很難被發(fā)現(xiàn)，且PLC是系統(tǒng)的下行可控制單元，相比工程師站來說更加重要。根據(jù)同樣的思路，建立要素層各設(shè)備的重要性賦值表得到判別矩陣，同樣讓4位專家進(jìn)行評(píng)分，這里僅列出了某一位專家的判別矩陣：

在進(jìn)行下一步前，要對(duì)上述得到的判別矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣是否符合一致性要求。如果不符合，需要進(jìn)行調(diào)整，步驟如下。

（1）計(jì)算矩陣的一致性指標(biāo)：

是矩陣的最大特征值，n是矩陣的階數(shù)。

（2）查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，RI的取值如表4所示。

表4　1～10階一致性指標(biāo)

（3）計(jì)算一致性比率，當(dāng)滿足時(shí)，認(rèn)為判別矩陣滿足要求，否則需要調(diào)整。

本例中的判別矩陣與的矩陣最大特征分別為5.112、5.024、5.403、5.276，矩陣階數(shù)n為5，RI根據(jù)表4得到為1.12，計(jì)算得到一致性比率CR分別為0.025、0.005、0.089和0.061，滿足一致性檢驗(yàn)的要求。按照同樣的方法檢驗(yàn)其余矩陣，若不滿足要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最終得到所有的判別矩陣。

3.3 計(jì)算本層各元素對(duì)上層元素的權(quán)重

為了進(jìn)一步減少專家評(píng)價(jià)的主觀性，這里將判別矩陣進(jìn)行模糊化處理，得到模糊一致判別矩陣，利用式（11）和式（12）完成對(duì)矩陣的模糊化處理。得到模糊一致矩陣后，利用式（13）可以計(jì)算評(píng)價(jià)層中的指標(biāo)（如拒絕服務(wù)指標(biāo)）對(duì)要素層系統(tǒng)設(shè)備（如OPC服務(wù)器）的權(quán)重。

式（13）中參數(shù)滿足，并與權(quán)重的差異度成反比，即當(dāng)時(shí)，各風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)權(quán)重的差異度達(dá)到最大。本例中n=5，得到=2。將上述得到的判別矩陣、、和進(jìn)行模糊化處理，得到模糊一直矩陣。取第一個(gè)專家的模糊判別矩陣，進(jìn)行分析，利用式（13）計(jì)算對(duì)OPC服務(wù)器的相對(duì)權(quán)重，得。同理，得到另外4種攻擊方式對(duì)OPC服務(wù)器的相對(duì)權(quán)重，得，進(jìn)而得到OPC服務(wù)器5個(gè)攻擊指標(biāo)組合成的權(quán)重向量=[0.162,0.145,0.234,0.191,0.268]。以此類推，根據(jù)其余3位專家的模糊判別矩陣，得到OPC服務(wù)器的5個(gè)攻擊指標(biāo)的權(quán)重向量如下所示：

對(duì)上述得到的4個(gè)權(quán)值向量，按照相同位置取平均的方式得到最終的拒絕服務(wù)攻擊對(duì)OPC服務(wù)器的權(quán)值向量：

按照同樣的步驟，可以求出5種攻擊方式對(duì)要素層其余設(shè)施的權(quán)重向量以及要素層對(duì)目標(biāo)層F的權(quán)重向量：

分析完每個(gè)要素對(duì)上一層的權(quán)重后，根據(jù)式（28）求出評(píng)價(jià)層各風(fēng)險(xiǎn)元素對(duì)目標(biāo)層F的綜合權(quán)重，整個(gè)計(jì)算過程如表5所示。

表5 評(píng)價(jià)層各風(fēng)險(xiǎn)元素對(duì)目標(biāo)層的綜合權(quán)重

得綜合權(quán)重：

風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重較大的是拒絕服務(wù)與數(shù)據(jù)篡改。對(duì)5種攻擊方式建立攻擊樹模型，定量分析每種攻擊方式所發(fā)生的概率。

根據(jù)2.2節(jié)的分析得知，系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率受到攻擊成本、攻擊難度和攻擊被發(fā)現(xiàn)的可能性的影響。在上述分析中已經(jīng)得出各種攻擊方式對(duì)目標(biāo)層的綜合權(quán)重，在建立攻擊樹模型時(shí)，直接將目標(biāo)層作為攻擊節(jié)點(diǎn)。建立攻擊樹模型如圖4所示，由于5種攻擊方式都可直接對(duì)系統(tǒng)造成影響，采用圖2中的OR節(jié)點(diǎn)建立整個(gè)系統(tǒng)攻擊樹模型，并運(yùn)用模糊層次分析法確定攻擊成本、攻擊難度和攻擊被發(fā)現(xiàn)的可能性的相對(duì)權(quán)重。

圖4 攻擊樹模型

圖4中，分別代表5種攻擊方式，、分別代表攻擊成本、攻擊難度和攻擊被發(fā)現(xiàn)的可能性。以數(shù)據(jù)篡改為例，從攻擊者的角度看，他/她更希望這次數(shù)據(jù)篡改的攻擊不易被發(fā)現(xiàn)，其權(quán)重大于攻擊成本與攻擊難度。攻擊難度的增加會(huì)降低整個(gè)攻擊事件的概率，相較于攻擊成本來說權(quán)重略低。

采用模糊層次分析法的思路，建立模糊判別矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到3個(gè)影響因素的相對(duì)權(quán)重這里僅給出最終的分析結(jié)果。

對(duì)于攻擊難度、攻擊成本和被發(fā)現(xiàn)的可能性的等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，如表6所示。

表6 等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

在具體應(yīng)用時(shí)，評(píng)估人員根據(jù)具體情況給出等級(jí)得分。在本工業(yè)控制系統(tǒng)中，邀請(qǐng)了多位專家給出等級(jí)得分，最后采用取平均值的方式給出具體的得分情況。在5種攻擊方式中，數(shù)據(jù)篡改的難度最大，成本較高，也很難被發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的3個(gè)等級(jí)為5、4、1，其余4種攻擊的等級(jí)評(píng)分如表7所示。

表7 攻擊方式的等級(jí)評(píng)分

根據(jù)式（2）可以求得各種攻擊方式的攻擊概率分別為0.269 0、0.439 3、0.396 8、0.3940和0.384 3。由于這幾種攻擊發(fā)生的概率沒有確定的相互獨(dú)立關(guān)系，所以它們的和不是1。層次分析法中得到各個(gè)攻擊要素的權(quán)重為：

本文將權(quán)重與概率的乘積作為評(píng)價(jià)層5種攻擊方式的最終風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)果分別為0.0607、0.0825、0.0829、0.0713和0.0753，據(jù)此得出最大可能的威脅攻擊是竊聽攻擊和數(shù)據(jù)篡改，因此應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)竊聽攻擊和數(shù)據(jù)篡改的防范。

本文針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)安全量化評(píng)估的問題，提出了一種將模糊層次分析法與攻擊樹相結(jié)合的方法。模糊層次分析法通過建立模糊判別矩陣，減小了專家的主觀因素，通過對(duì)多位專家所得到的權(quán)值向量取平均的群決策方式，進(jìn)一步減少了專家評(píng)判的主觀性。對(duì)工業(yè)控制信息安全與功能安全相結(jié)合的問題，本文將拒絕服務(wù)、竊聽攻擊、數(shù)據(jù)篡改、蠕蟲木馬與系統(tǒng)硬件失效共同作為整個(gè)系統(tǒng)的威脅因素，建立層次化分析模型。建立攻擊樹，對(duì)系統(tǒng)安全威脅事件所發(fā)生的概率進(jìn)行量化分析，最終綜合考慮安全事件發(fā)生的概率與權(quán)值來定量分析系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

后續(xù)可在以下方面繼續(xù)進(jìn)行深入研究：（1）在定量分析中，專家的評(píng)判結(jié)果會(huì)受到主觀因素的影響，本文僅僅通過對(duì)專家的評(píng)判結(jié)果取平均的方式確定了最終的威脅因素權(quán)重，如何建立更加有效量化方式是接下來的研究重點(diǎn)；（2）面對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何建立更加全面的層次化分析模型需要進(jìn)一步思考；（3）本文著重考慮5種威脅因素各自對(duì)系統(tǒng)的影響，并未涉及到系統(tǒng)在受到5種威脅下的綜合安全量化值，是下一步研究的重點(diǎn)。