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    隨著信息化與工業(yè)自動(dòng)化的深度融合，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化與控制網(wǎng)絡(luò)也向著分布式、智能化的方向迅速發(fā)展，越來越多基于TCP/IP的通信協(xié)議和接口被采用，從而實(shí)現(xiàn)了自管理信息層延伸至現(xiàn)場設(shè)備的一致性識(shí)別、通訊和控制。然而，在工控系統(tǒng)越來越開放的同時(shí)，也同步削弱了控制系統(tǒng)與外界的隔離和安全保護(hù)。因此，行業(yè)/企業(yè)在享受網(wǎng)絡(luò)互連帶來的種種好處的同時(shí)也面臨著各種來源的信息安全威脅，包括病毒、木馬向控制網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散等，國內(nèi)工控系統(tǒng)（ICS）的安全隱患問題日益嚴(yán)峻，應(yīng)給予足夠的重視。

    軌道交通中的自動(dòng)化系統(tǒng)一般分為：與列車運(yùn)行控制直接相關(guān)的系統(tǒng)（如信號(hào)系統(tǒng)與電力SCADA系統(tǒng)等）、為列車運(yùn)行提供輔助、支撐的系統(tǒng)（如綜合監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等）以及輔助于安全管理的系統(tǒng)（如門禁系統(tǒng)等）。這些系統(tǒng)存在著共同的特點(diǎn)：一般系統(tǒng)分為信息管理層、控制執(zhí)行層和現(xiàn)場操作層三層架構(gòu)；系統(tǒng)以采集與執(zhí)行控制器（如PLC）和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)為核心開展工作；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求有更好的實(shí)時(shí)性、更高的傳輸速率以及可靠性。

    工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場總線由于技術(shù)的局限性已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的需求，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)；

    （2）軟硬件資源豐富，成本低廉（可降低系統(tǒng)的整體成本）；

    （3） 通信速率高（ 百兆設(shè)備已被廣泛使用，千兆、萬兆逐漸成為工業(yè)骨干網(wǎng)的主流）；

    （4）由于基于TCP/IP開放式標(biāo)準(zhǔn)，不同設(shè)備很容易互聯(lián)，具有很好的發(fā)展?jié)摿Γ?br />
    （5）易于實(shí)現(xiàn)一體化的管理與控制；

    （6）工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提供其它自動(dòng)化組件相同的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）值，通常是10年以上（相比之下，典型商用產(chǎn)品在建造時(shí)，最多實(shí)現(xiàn)5年平均壽命）；

    （7）方便安裝：通常采用DIN-Rail導(dǎo)軌安裝，或者直接用螺栓連接到機(jī)器上；

    （8）無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)散熱；

    （9）冗余電源，冗余鏈路，支持采取冗余設(shè)備以保證全天候正常運(yùn)行時(shí)間；

    （10）符合特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[包括軌道交通行業(yè)普遍認(rèn)可EN50121-4認(rèn)證(軌旁應(yīng)用)以及EN50155認(rèn)證(車載應(yīng)用)]，以保證能在極端的現(xiàn)場條件下正常運(yùn)作，如濕度、防塵、防腐蝕、溫度、振動(dòng)、沖擊和電磁干擾。但無法掩蓋一個(gè)事實(shí)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是工控系統(tǒng)安全隱患中的主要因素。

    1　工控系統(tǒng)信息安全現(xiàn)狀以及對(duì)軌交安全的影響

     現(xiàn)實(shí)情況的調(diào)研說明了工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全問題日趨嚴(yán)重。

    近兩年，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域有幾個(gè)影響較大的實(shí)例：

    （ 1 ） 2 0 1 0年7 月首次檢測出以某公司的I C S /SCADA為攻擊目標(biāo)的Stuxnet震網(wǎng)病毒；三個(gè)月后，全球已有十萬臺(tái)主機(jī)計(jì)算機(jī)受到感染。這是世界上首個(gè)專門針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)編寫的破壞性病毒，由此引發(fā)了工業(yè)界對(duì)信息安全的特別關(guān)注。

    （2）2012年8月，BBC技術(shù)版報(bào)道，在西門子旗下的羅杰康平臺(tái)交換機(jī)中發(fā)現(xiàn)了后門，這個(gè)程序讓黑客可以容易的侵入網(wǎng)絡(luò)，竊取信息。該設(shè)備主要應(yīng)用在美國的國家發(fā)電廠中，得到美國國土安全局的高度重視。

    （3）2013年底，“棱鏡門”事件的主角斯諾登曝光了一份材料，顯示美國在2008年研制了48種間諜工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)與互聯(lián)網(wǎng)隔離的計(jì)算機(jī)的隔空打擊。這一情況對(duì)人們存在將工業(yè)控制系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)隔離、ICS不存在信息安全問題的想法構(gòu)成顛覆性沖擊。

    根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在工業(yè)最為發(fā)達(dá)的美國，2010年工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)僅為39條，到了2013年，這一數(shù)據(jù)增至256條。其中在2013年，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全事件在能源、關(guān)鍵制造、供水、交通、核工業(yè)等直接關(guān)系到國民生計(jì)以及人身安全的行業(yè)都有涉及。其中交通行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件的比例達(dá)到5%。

    中國的工業(yè)發(fā)展暫落后于美國。因此，可以預(yù)見到未來中國的工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件也將呈現(xiàn)覆蓋范圍廣、增長速度快的趨勢。交通行業(yè)，尤其是軌道交通行業(yè)，工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵ICS系統(tǒng)的安全事件可能造成的影響包括：

    （1）軌道交通子系統(tǒng)性能的下降，影響系統(tǒng)的可用性；

    （2）關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)被篡改或者喪失；

    （3）失去控制（2008年一少年攻擊了波蘭的Lodz的城鐵系統(tǒng)，用一個(gè)遙控器改變軌道扳道器，導(dǎo)致4節(jié)列車出軌）；

    （4）嚴(yán)重甚至導(dǎo)致人員傷亡；

    （5）軌道運(yùn)輸單位聲譽(yù)受損，信任度降低；

    （6）基礎(chǔ)設(shè)施破壞；

    （7）嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失等。

    2　工業(yè)以太網(wǎng)信息安全威脅的主要原因

    從業(yè)者一般認(rèn)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議相對(duì)私有，與更廣范圍的網(wǎng)絡(luò)存在隔離的特性，加上設(shè)備自身的優(yōu)勢，使得他們對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性很有信心。但在如今不斷變化、更廣互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)世界中，許多工業(yè)運(yùn)營商甚至都沒有意識(shí)到他們的系統(tǒng)已經(jīng)被暴露在互聯(lián)網(wǎng)上，必須要進(jìn)行一些特別的安全漏洞處理。在近期的一則報(bào)道中反映，美國國土安全部顧問InfraCritical僅僅通過監(jiān)控引擎就發(fā)現(xiàn)了50萬個(gè)暴露在網(wǎng)絡(luò)中的SCADA設(shè)備，其中7200個(gè)設(shè)備控制著關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，比如說水利、能源以及其它領(lǐng)域的設(shè)備。因此，安全研究人員描述工業(yè)控制系統(tǒng)的狀態(tài)“很安全”，就聽起來很可笑了。

    現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中漏洞存在主要體現(xiàn)在以下三方面：

    （1）工業(yè)基礎(chǔ)協(xié)議Modbus TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包存在安全隱患

    Modbus TCP/IP 協(xié)議被廣泛應(yīng)用于工業(yè)通信中，但由于缺乏內(nèi)置的安全處置，使得協(xié)議應(yīng)用時(shí)相對(duì)脆弱。具體地說，即使當(dāng)傳送一個(gè)檢測過源IP地址的TCP/IP的數(shù)據(jù)包時(shí)，看起來似乎是合法的，但由于它可能包涵有惡意的Modbus TCP 通信數(shù)據(jù)包，讓整個(gè)通信過程存在疑慮。假設(shè)讓系統(tǒng)對(duì)Modbus的源設(shè)備ID、功能碼或者命令類型進(jìn)行檢測時(shí)，這種惡意的數(shù)據(jù)包將無處遁形。同時(shí)由于工業(yè)設(shè)備幾乎沒有應(yīng)用層的安全防護(hù)方式，因此這樣的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的安全保護(hù)將落地在網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，如硬件防火墻等，而傳統(tǒng)防火墻的解決方案中很少有掃描Modbus TCP等工業(yè)協(xié)議的機(jī)制。

    （2）自動(dòng)化控制中對(duì)時(shí)序的要求很嚴(yán)格，存在傳輸延遲的安全隱患

    SCADA和自動(dòng)化控制對(duì)受控對(duì)象的直接操作是具有高度時(shí)效性的，比如說變電站運(yùn)作對(duì)時(shí)間非常敏感，觸發(fā)電路開關(guān)的延遲可以導(dǎo)致功率波動(dòng)甚至停電。操作的高時(shí)效性要求工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不能存在重大的延遲問題。然而，惡意攻擊者使用一個(gè)常見請(qǐng)求程序去攻擊一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即便防火墻可以阻止一個(gè)未經(jīng)授權(quán)的請(qǐng)求，也會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)延遲。同時(shí)防火墻在處理數(shù)據(jù)時(shí)也存在能力不足、帶寬不夠的情況，同樣也會(huì)在關(guān)鍵時(shí)刻導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的延遲，無法滿足實(shí)時(shí)性傳輸要求。

    另外，隨著需求的不斷增長，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將集成更多的系統(tǒng)，如視頻、語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要更大的帶寬和吞吐量來支持更高級(jí)的應(yīng)用程序，并不影響網(wǎng)絡(luò)安全，也不會(huì)造成其它工業(yè)操作的延遲。

    （3）嚴(yán)苛的現(xiàn)場環(huán)境促使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被動(dòng)適應(yīng)，存在適應(yīng)性安全隱患

    軌交現(xiàn)場機(jī)電機(jī)械和工業(yè)控制設(shè)備都部署在較為
嚴(yán)苛的環(huán)境中。采用傳統(tǒng)的IT網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備很難在這些嚴(yán)苛的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行并保障工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的信息安全。這些嚴(yán)苛的環(huán)境條件包括如極端的溫度、EMC、EMI等，對(duì)傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備造成的損壞也許比黑客刻意程序工具的攻擊更加嚴(yán)重。因此，確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò)免受黑客的攻擊，保障信息安全，首要任務(wù)是確保這些設(shè)備能夠在這些嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。

    消除以上漏洞的思路，第一步是確認(rèn)漏洞、關(guān)閉漏洞；第二步至關(guān)重要，必須將安全漏洞完全處理掉。

   3　工控網(wǎng)信息安全解決方案探討

    3.1　軌交行業(yè)信息安全的總體考慮

    軌交業(yè)務(wù)總體可以分為自動(dòng)化控制和管理信息兩大類。劃分為三個(gè)安全域：生產(chǎn)網(wǎng)域、管理網(wǎng)域和互聯(lián)網(wǎng)域。上海在處置信息安全時(shí)，一般有以下做法：

    （1）同區(qū)域訪問、各不同區(qū)域之間實(shí)行受控訪問或禁止訪問。安全域之間的訪問控制策略見表1。

 

    （2）自動(dòng)化控制系統(tǒng)按照既有的建設(shè)安全體系進(jìn)行防護(hù)的同時(shí)，與列車運(yùn)行控制直接相關(guān)的系統(tǒng)（如信號(hào)系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)）級(jí)別應(yīng)定為非常重要，對(duì)應(yīng)安全等級(jí)保護(hù)體系的第三級(jí)；為列車運(yùn)行提供輔助、支撐的系統(tǒng)級(jí)別應(yīng)定為重要，對(duì)應(yīng)安全等級(jí)保護(hù)體系的第二級(jí)；

    （3）僅供軌交行業(yè)內(nèi)部使用的管理、決策、辦公類系統(tǒng)級(jí)別應(yīng)定為一般，對(duì)應(yīng)安全等級(jí)保護(hù)體系的第一級(jí)。

    3.2　工控網(wǎng)信息安全的考慮

    針對(duì)以上的分析，建議從硬件以及軟件兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的信息安全。

    （1）硬件實(shí)現(xiàn)多層次網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)

    針對(duì)軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成特征，將現(xiàn)場級(jí)系統(tǒng)分解成多層結(jié)構(gòu)（如圖1所示），在各層網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)不同情況（如連接設(shè)備數(shù)目、帶寬以及性能要求等），設(shè)置合適的工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品。以Moxa公司的EDR-810系列為例，隨著集成技術(shù)發(fā)展，在市場上推出了一體化的防火墻交換機(jī)，主要面對(duì)最底層需連接多個(gè)終端設(shè)備，必須放置一臺(tái)交換機(jī)的情況；該集成設(shè)備集合了二層網(wǎng)管交換功能以及防火墻/NAT/VPN的功能，具有千兆上聯(lián)口以及多個(gè)快速以太網(wǎng)口，在滿足現(xiàn)場設(shè)備接入的同時(shí)，還可利用網(wǎng)管的功能，有效防止由于現(xiàn)場設(shè)備故障導(dǎo)致的廣播風(fēng)暴對(duì)于其它關(guān)鍵設(shè)備的影響；對(duì)于現(xiàn)場不被使用的端口，在物理封存的同時(shí)系統(tǒng)可以將其關(guān)閉，從而防止利用現(xiàn)場設(shè)備接入交換機(jī)進(jìn)行的惡意篡改以及非法入侵。另外，該設(shè)備的防火墻策略控制不同信任區(qū)域之間的網(wǎng)絡(luò)流量以及網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）防御內(nèi)部局域網(wǎng)免受未經(jīng)授權(quán)從外部主機(jī)傳來的活動(dòng)，能夠執(zhí)行深度的Modbus TCP數(shù)據(jù)包檢測，從而有效地防止對(duì)于現(xiàn)場PLC等關(guān)鍵設(shè)備的非法控制，確保關(guān)鍵設(shè)備的可靠性。

    在最上層對(duì)接辦公網(wǎng)絡(luò)時(shí)，宜選擇設(shè)置工業(yè)級(jí)千兆防火墻/VPN安全路由器設(shè)備，同時(shí)應(yīng)考慮滿足帶寬需求高、對(duì)外連線需要有備份鏈路的要求。以Moxa公司的EDR-G903系列為例，其具備冗余的WAN接口，千兆的寬帶性能，吞吐量能夠達(dá)到500Mbps，能夠建立的Firewall/NAT規(guī)則數(shù)為512/256以上，從而確保企業(yè)信息網(wǎng)與自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)之間的安全通信；同時(shí)，支持VPN三層隧道協(xié)議IPSec可達(dá)100條，能夠滿足遠(yuǎn)端的多通道安全通訊。

    （2）在網(wǎng)管軟件中設(shè)置信息安全的選項(xiàng)

    工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理套件可以實(shí)現(xiàn)簡易配置、智能可視化管理、簡便的備份管理以及快速故障排除，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期都結(jié)合到了一個(gè)工具包內(nèi)。為了回應(yīng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于信息安全的重視，須基于ISA與IEC共同制定的針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分隔的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和控制信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)，分別在安裝、運(yùn)行和診斷三個(gè)階段來確保網(wǎng)絡(luò)安全。

    在安裝階段，要從軟件上可以批量部署設(shè)備的安全功能，可選擇不同的設(shè)備安全級(jí)別，規(guī)范不同的安全條款，以滿足不同的應(yīng)用需要。

    在運(yùn)行階段，軟件可在可視化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，用不同顏色來標(biāo)注設(shè)備的不同安全等級(jí)，方便進(jìn)行設(shè)備管理。在偵測到安全異常情況后，有相應(yīng)的界面輸出警告，通知操作人員，進(jìn)行及時(shí)處理。

    4　案例與結(jié)語

    案例：美國亨利科縣交通控制系統(tǒng)的安全處置

    弗吉尼亞州亨利科縣交通部門按NEMA TS2交通控制規(guī)范升級(jí)現(xiàn)有的公路交通信號(hào)控制系統(tǒng)，使其成為先進(jìn)交通管理系統(tǒng)（ATMS）。亨利科縣現(xiàn)有的交通控制系統(tǒng)是由140個(gè)信號(hào)控制的十字路口組成，但只有25個(gè)十字路口是相互連接的，其余115個(gè)十字路口的信號(hào)控制電路隔離。該系統(tǒng)將采用一個(gè)集中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得中央指揮中心可以與每一個(gè)現(xiàn)場交通信號(hào)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)場的交通控制器也可以調(diào)整和安排每天不同時(shí)間段的交通信號(hào)配時(shí)參數(shù)，以此來提高交通車流量。從中央指揮中心，運(yùn)營商將能夠訪問交通信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)遠(yuǎn)程流量控制的位置。這種先進(jìn)的交通控制網(wǎng)絡(luò)將通過公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，不只需要一個(gè)高度可靠的連接，同時(shí)也保護(hù)了網(wǎng)絡(luò)安全，禁止未經(jīng)授權(quán)的訪問。

 

    為了使交通控制器能夠?qū)?shù)據(jù)傳送到交通指揮中心,系統(tǒng)集成商需要利用現(xiàn)有的ISP公共網(wǎng)絡(luò)。然而，在公共網(wǎng)絡(luò)中存在可能的安全性問題，會(huì)直接威脅到交通控制網(wǎng)絡(luò)的通信。所以，采用VPN和現(xiàn)場及核心防火墻來保證數(shù)據(jù)通信的安全就顯得至關(guān)重要。

    2011年，工業(yè)和信息化部頒發(fā)了451號(hào)文《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理的通知》，從國家層面強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全工作的重要性和緊迫性，而軌道交通的核心生產(chǎn)系統(tǒng)正屬于此通知范圍內(nèi)。因此希望通過上述討論，提請(qǐng)相關(guān)人士重視對(duì)軌道交通現(xiàn)有的、各個(gè)層次系統(tǒng)部署狀況、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及主要安全問題的分析，形成一套有效的信息安全架構(gòu)方案，推動(dòng)軌道交通信息安全基礎(chǔ)建設(shè)，完善軌道交通信息安全技術(shù)防護(hù)體系、信息安全管理體系，提升軌交行業(yè)的信息安全預(yù)警能力、信息安全保障能力、信息安全檢測能力、信息安全應(yīng)急能力和信息安全恢復(fù)能力。

    
    作者簡介

    洪翔，高級(jí)工程師。現(xiàn)任上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)研究中心系統(tǒng)集成部主任。多年從事軌道交通通信工程、控制中心、綜合監(jiān)控系統(tǒng)以及信息化等專業(yè)的工程規(guī)劃、可研報(bào)告編制、工程設(shè)計(jì)、咨詢和技術(shù)管理、評(píng)審和科研等工作。曾獲上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)、建設(shè)部優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)銀獎(jiǎng)、上海市優(yōu)秀工程咨詢成果獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。