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摘要：隨著信息化和工業(yè)化的深度融合，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全形勢日益嚴(yán)峻。信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估作為一種了解工業(yè)控制系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的重要手段，越來越受到更多人的關(guān)注。本文以層次分析法為基礎(chǔ)，將權(quán)重比引入工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全評估中，可得到更為合理的評估結(jié)果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制系統(tǒng)；信息安全；權(quán)重比

1　引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，信息安全威脅逐漸向工業(yè)領(lǐng)域蔓延，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全形勢日益嚴(yán)峻。信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估作為一種了解工業(yè)控制系統(tǒng)安全威脅的重要手段，受到越來越多人的關(guān)注。

工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法主要有三類，分別為經(jīng)驗(yàn)分析法、定性分析法和定量分析法^[1]。經(jīng)驗(yàn)分析法適用于評估經(jīng)驗(yàn)不足的評估者，由經(jīng)驗(yàn)豐富的專家制定安全基線，供評估者借鑒使用；定量分析法是在度量風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，對風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行賦值，進(jìn)而量化評估結(jié)果；定性分析法是對風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行分級，一般可分為“高”，“中”，“低”三級，最終以級別表示評估結(jié)果。本文以層次分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合定量分析與定性分析進(jìn)行工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估。

2　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型

參考《信息安全技術(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)施指南》和《信息安全技術(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)安全控制應(yīng)用指南》，從資產(chǎn)、脆弱性、威脅和安全措施四方面對工業(yè)控制系統(tǒng)開展信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估，評估模型如圖1所示，由上至下依次為目標(biāo)層，準(zhǔn)則層和因素層^[2]。目標(biāo)層為工業(yè)控制系統(tǒng)主體，準(zhǔn)則層包括資產(chǎn)、脆弱性、威脅和安全措施，因素層包括硬件資產(chǎn)、軟件資產(chǎn)、人員資產(chǎn)、其它資產(chǎn)、管理脆弱性、技術(shù)脆弱性、自然環(huán)境、內(nèi)部無意風(fēng)險(xiǎn)、內(nèi)部有意風(fēng)險(xiǎn)、外部威脅、事前防御、事中響應(yīng)和事后取證^[3]。

圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型

硬件資產(chǎn)包括：IED、PLC、DCS等工業(yè)現(xiàn)場控制層設(shè)備；路由器、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；工業(yè)防火墻、入侵檢測系統(tǒng)、網(wǎng)閘等安全設(shè)備；服務(wù)器、工作站、HMI等計(jì)算機(jī)設(shè)備；磁盤陣列、移動(dòng)硬盤等存儲設(shè)備。軟件資產(chǎn)包括：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件；組態(tài)軟件、遠(yuǎn)程控制軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、工業(yè)控制系統(tǒng)工具軟件、OPC等應(yīng)用軟件；工業(yè)控制代碼、現(xiàn)場設(shè)備固件等源程序；工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工業(yè)控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行管理數(shù)據(jù)。人員資產(chǎn)包括：操作人員，運(yùn)維人員，工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，信息安全人員。其它資產(chǎn)包括除了硬件、軟件和人員之外的資產(chǎn)。

管理脆弱性包括：工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境脆弱性，生產(chǎn)設(shè)備脆弱性。技術(shù)脆弱性包括：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)邊界脆弱性，工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備脆弱性，工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信脆弱性，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)脆弱性，工業(yè)控制系統(tǒng)硬件脆弱性、軟件脆弱性、配置脆弱性。

自然環(huán)境包括：靜電、灰塵、潮濕、電磁干擾、意外事故等環(huán)境危害或自然災(zāi)害。內(nèi)部無意風(fēng)險(xiǎn)包括：內(nèi)部員工未遵循規(guī)章制度和操作流程，導(dǎo)致工業(yè)控制系統(tǒng)故障或被攻擊。內(nèi)部有意風(fēng)險(xiǎn)包括：內(nèi)部員工對工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行破壞或竊取系統(tǒng)信息。外部威脅包括：外部人員對工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。

3　工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估

3.1　風(fēng)險(xiǎn)量化

風(fēng)險(xiǎn)量化的過程如圖2所示。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)量化過程

3.2　構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估模型

在開展工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全評估前應(yīng)首先構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估模型，本文采用如圖1所示的工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型。

3.3　確定模型各層權(quán)重比

3.3.1　重要性程度

首先要將復(fù)雜的多因素問題轉(zhuǎn)化為兩兩對比的問題，并且將他們量化。將兩因素對比結(jié)果分成5個(gè)等級：相同、稍強(qiáng)、較強(qiáng)、明顯強(qiáng)、絕對強(qiáng)，并用數(shù)字1-9來進(jìn)行量化，如表1所示[4]。

表1 兩因素對比結(jié)果

3.3.2　構(gòu)建比較矩陣

每次選取兩個(gè)因素a和b進(jìn)行比較，用x_ab來表示a，b定量重要性的結(jié)果，構(gòu)建出比較矩陣。

3.3.3　一致性檢驗(yàn)

計(jì)算一致性指標(biāo)CI，，n是比較矩陣的階數(shù)，是比較矩陣的最大特征值。查找一致性指標(biāo)RI，如表2所示。

表2一致性指標(biāo) RI

計(jì)算一致性比例CR，，當(dāng)CR<0.10的時(shí)候，比較矩陣的一致性是可以接受的，不然應(yīng)對該矩陣做出修改。

3.3.4　計(jì)算權(quán)重向量計(jì)算權(quán)重向量有方根法，求和法，特征向量法，

最小二乘法。方根法計(jì)算權(quán)重向量，如式（1）所示：

求和法計(jì)算權(quán)重向量，如式（2）所示：

特征向量法計(jì)算權(quán)重向量，

A是比較矩陣，W是權(quán)重向量；最小二乘法計(jì)算權(quán)重向量，用擬合方法確定權(quán)重向量，使殘差平方和為最小，如式（3）所示：

3.4　專家評分

得出各項(xiàng)權(quán)重比之后，由專家對待評測的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體評估：每項(xiàng)分?jǐn)?shù)為0到1，0到0.2為不具備安全措施，0.2到0.4安全性較差，0.4到0.6為安全性一般，0.6到0.8為安全性較好，0.8到1為安全措施完備。

通過得出系統(tǒng)總分?jǐn)?shù)，w_i是i因素對應(yīng)的權(quán)值，S_i是i因素的評估分?jǐn)?shù)，S是求出的對應(yīng)的系統(tǒng)評估分?jǐn)?shù)。0到0.2為系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)很高，0.2到0.4系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)較高，0.4到0.6為風(fēng)險(xiǎn)一般，0.6到0.8為風(fēng)險(xiǎn)較低，0.8到1為系統(tǒng)安全。

3.5　評估結(jié)果

在得出總分?jǐn)?shù)后，整理評估結(jié)果，包括系統(tǒng)整體評分、系統(tǒng)各層次重要性占比、各部分因素的評分、系統(tǒng)待改進(jìn)排名^[5]。

4　實(shí)例論證

針對鋼鐵行業(yè)某集團(tuán)開展工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估，對其制造執(zhí)行系統(tǒng)、監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器等工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行評估。集團(tuán)下屬鋼鐵廠采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三層網(wǎng)絡(luò)，不同生產(chǎn)車間的生產(chǎn)設(shè)備通過L1層工業(yè)交換機(jī)與L2層服務(wù)器進(jìn)行連接，通過L2層核心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集和交換，與L2層各個(gè)子網(wǎng)中的工程師站進(jìn)行通信。為保證L1、L2生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)的信息安全性，在L3層的網(wǎng)絡(luò)出口處專門設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)防火墻進(jìn)行安全隔離。

對“資產(chǎn)”下的四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估，如圖3所示，對4項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩判斷賦值，構(gòu)造出比較矩陣，如式（4）所示。

圖3 資產(chǎn)模型

對該矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，，此矩陣的一致性可以接受。用方根法計(jì)算得，“資產(chǎn)”中各要素的相對權(quán)重為：W_{1=(0.5147,0.1207,0.2959,0.0688)}（5）

同理，求得該鋼鐵廠“脆弱性”，“威脅”，“安全措施”中各要素的相對權(quán)重如下：

W₂=(0.6,0.4)

W₃=(0.5123,0.2811,0.1325,0.0741)

W₄=(0.2297,0.6483,0.1220)（6）

“資產(chǎn)”，“脆弱性”，“威脅”，“安全措施”之間的相對權(quán)重為：W₅=(0.3455,0.1105,0.1625,0.3815)（7）

因此，硬件資產(chǎn)占總體的0.5147*0.3455=0.1778，同理可求得其它因素占總體的權(quán)重比，結(jié)果如表3所示。

邀請專家對該工廠各因素進(jìn)行評價(jià)打分，結(jié)合表3中各項(xiàng)因素的權(quán)重比，可以得出系統(tǒng)總分?jǐn)?shù)。在各項(xiàng)因素分?jǐn)?shù)中，權(quán)重比較大而又得分較低的因素為急需改進(jìn)項(xiàng)。

表3 該工廠各因素占總體的權(quán)重比

5　結(jié)束語

本文針對工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估問題，提出了一種基于層次分析的定量分析法，將因素權(quán)重比引入風(fēng)險(xiǎn)評估中，得到更為合理的評估結(jié)果。

作者簡介

夏　冀（1992-），男，碩士，現(xiàn)任中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院信息安全研究中心工控組工程師，主要從事工業(yè)信息安全標(biāo)準(zhǔn)研制、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全測評工作。

甘俊杰（1993-），男，碩士，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)就職于中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，主要從事工業(yè)信息安全方面的研究。

李　琳，男，博士，現(xiàn)任中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院信息安全研究中心高級工程師，工業(yè)控制系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)和測評工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)總監(jiān)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 張燁. 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估[J]. 自動(dòng)化博覽，2015， ( S2 ).

摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全專刊（第六輯）》