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★南京訊石數(shù)據(jù)科技有限公司牛毅

★國(guó)家電網(wǎng)信產(chǎn)集團(tuán)北京中電飛華通信有限公司周游

摘要：本文分析了當(dāng)前工控生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全現(xiàn)狀和需求，指出了在工業(yè)制造、能源生產(chǎn)過(guò)程中，其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性和特殊性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全防護(hù)所面臨的問(wèn)題；通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的安全認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行分析，提出了與PKICA認(rèn)證技術(shù)密碼同源的無(wú)證書(shū)IPK標(biāo)識(shí)公鑰技術(shù)；通過(guò)兩種技術(shù)對(duì)比，基于IPK技術(shù)對(duì)工控網(wǎng)縱向防御實(shí)現(xiàn)即插即用，在滿足工控應(yīng)用效能的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)部署無(wú)須進(jìn)行更改，無(wú)須增加IP，也無(wú)須對(duì)接入設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)施改造，完全滿足復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景。通過(guò)IPK即插即用安全終端快速實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)的縱向安全防御，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的加密傳輸、業(yè)務(wù)指令的安全加固、源數(shù)據(jù)的安全可信；進(jìn)一步的，用戶方可以靈活便捷地自主生產(chǎn)、簽發(fā)、管理密鑰，安全不再依賴設(shè)備廠家，真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全的自主可控。

關(guān)鍵詞：即插即用；縱向防御；標(biāo)識(shí)公鑰；效能評(píng)估

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣，安全隱患問(wèn)題也變得日益突出。近年來(lái)，國(guó)家相繼出臺(tái)了各類(lèi)安全法律、法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施安全已上升至國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度。工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)形成各種數(shù)據(jù)，幾乎涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、制造過(guò)程的所有核心資料，這些數(shù)據(jù)不僅是企業(yè)生產(chǎn)制造的核心數(shù)據(jù)，同時(shí)也是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一旦被非法采集或截取，將會(huì)完全脫離企業(yè)用戶的自身控制，給企業(yè)乃至國(guó)家埋下安全隱患。因此，必須保證工業(yè)制造、能源生產(chǎn)行業(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全，為數(shù)據(jù)建立安全防御。

目前，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)大多是在網(wǎng)絡(luò)邊界及安全域出口設(shè)置防火墻、網(wǎng)閘等安全防護(hù)設(shè)備，可以基本實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的橫向防護(hù)，但對(duì)于接入生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的各類(lèi)監(jiān)控設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)來(lái)講，工控網(wǎng)絡(luò)的縱向防護(hù)嚴(yán)重缺失。工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通常通過(guò)工控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控采集，一方面，通過(guò)監(jiān)控設(shè)備采集的數(shù)據(jù)大部分都是明文發(fā)送，另一方面，SCADA系統(tǒng)發(fā)送監(jiān)控設(shè)備的指令和參數(shù)也缺少安全防護(hù)，一旦遭遇黑客攻擊發(fā)生泄露，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以對(duì)企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程做出統(tǒng)計(jì)分析，甚至可以通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)相關(guān)操作指令和參數(shù)進(jìn)行修改，產(chǎn)生不可估量的嚴(yán)重后果。尤其對(duì)于我國(guó)能源生產(chǎn)安全來(lái)講，數(shù)據(jù)泄露將可能造成不可估量的損失。

2 工控網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀與需求

由于歷史原因，工業(yè)生產(chǎn)用戶的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)意識(shí)較弱，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)中還會(huì)使用國(guó)外的產(chǎn)品或技術(shù)，本身就存在一定的安全隱患。另外，在已形成規(guī)模的工控生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)已經(jīng)上線的工控設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行安全改造很難實(shí)現(xiàn)。所以，安全防護(hù)需要采用對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用不產(chǎn)生影響、部署靈活、簡(jiǎn)單快速、運(yùn)維成本低的方式進(jìn)行。

對(duì)于新建的工控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，設(shè)備廠家提供的產(chǎn)品雖然都已經(jīng)增加了安全功能，但產(chǎn)品應(yīng)用的核心密鑰大多都是由產(chǎn)品提供商完成設(shè)置，作為安全核心的密鑰掌握在第三方手中，偏離了安全需要自主可控的核心，這也使得生產(chǎn)企業(yè)無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)對(duì)自身數(shù)據(jù)的安全自主可控。

在工業(yè)制造、能源生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)具有一定的復(fù)雜性和特殊性，要對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)還會(huì)面臨如下問(wèn)題：

（1）工業(yè)生產(chǎn)具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，且具有應(yīng)用時(shí)延要求，安全的加入不能影響到現(xiàn)有應(yīng)用效率，須實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)算的低時(shí)延、低功耗。

（2）工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，安全改造盡量不對(duì)原有系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改變，同時(shí)，不能造成后續(xù)過(guò)高的維護(hù)成本。須實(shí)現(xiàn)安全改造成本低且易維護(hù)。

（3）數(shù)據(jù)是企業(yè)的核心數(shù)字資產(chǎn)，數(shù)據(jù)安全的核心必須掌控在企業(yè)自己手中，企業(yè)不能依靠第三方，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)安全的自主可控。

（4）工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不同，密鑰的安全非常重要，還須防止由于密鑰中心被入侵或泄露導(dǎo)致整個(gè)安全防護(hù)體系失效帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

要實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全防護(hù)，一方面不能依托國(guó)外的產(chǎn)品技術(shù)，必須采用我國(guó)自主的算法與產(chǎn)品技術(shù)。另一方面，還需要從根本上徹底擺脫傳統(tǒng)的，由產(chǎn)品提供商提供核心密鑰的方式改為：設(shè)備廠商只提供產(chǎn)品安全功能，而產(chǎn)品的核心密鑰必須由企業(yè)自己生產(chǎn)、簽發(fā)和管控。只有這樣，才可以真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全、自主、可控。

3 工控網(wǎng)縱向安全防御技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 傳統(tǒng)安全防御技術(shù)的不足

傳統(tǒng)的安全防御技術(shù)體系一般都采用PKI證書(shū)方式，安全認(rèn)證基于中心化實(shí)現(xiàn)。而面對(duì)工控生產(chǎn)的縱向防護(hù)要求與特征，在滿足工控系統(tǒng)運(yùn)行效率要求的條件下，PKI證書(shū)的中心化認(rèn)證方式可能會(huì)存在不足，尤其在窄帶通信、海量設(shè)備接入以及終端運(yùn)算資源比較緊張的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致認(rèn)證效率低下、運(yùn)算量大、中心密鑰管理復(fù)雜，無(wú)法滿足安全應(yīng)用需求等問(wèn)題。另外，從成本投入的角度，證書(shū)密鑰中心的建設(shè)成本也比較高，不能很好地滿足對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)的縱深安全防護(hù)要求。

另外，從實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境考慮，工控網(wǎng)絡(luò)中接入了大量的終端設(shè)備，所有終端的密鑰都部署于密鑰中心，接入的設(shè)備越多，管理的復(fù)雜度也會(huì)越大，而且，所有密鑰集中于中心，一旦出現(xiàn)泄露，將導(dǎo)致整個(gè)安全防護(hù)體系的崩塌。所以，中心認(rèn)證方式對(duì)于工控生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，存在一定的安全隱患與不足。一方面要避免中心化密鑰存儲(chǔ)帶來(lái)的管理復(fù)雜度與安全風(fēng)險(xiǎn)，另一方面，由于終端部署于遠(yuǎn)程，需要保證終端密鑰使用的一次一密，即使終端密鑰被破解也只能是獲取一次傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)不會(huì)形成任何影響。只有這樣，才可以更好地實(shí)現(xiàn)工控生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的縱深防御。

3.2 IPK標(biāo)識(shí)公鑰技術(shù)介紹

IPK（IdentityPublicKey）標(biāo)識(shí)公鑰技術(shù)是一種無(wú)證書(shū)公鑰密碼體制，可實(shí)現(xiàn)海量密鑰的管理，與傳統(tǒng)的證書(shū)體系相比，IPK具有低功耗、高效率、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)認(rèn)證的特性，是一種輕量級(jí)密鑰實(shí)現(xiàn)技術(shù)或密鑰管理協(xié)議。

3.2.1 終端標(biāo)識(shí)密鑰生成

針對(duì)接入工控網(wǎng)絡(luò)的終端，IPK可基于終端標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)密鑰的快速生產(chǎn)管理。如圖1所示，終端最終使用私鑰生成流程大致為：使用終端標(biāo)識(shí)本地生成終端隨機(jī)公鑰UPK，并與密鑰中心隨機(jī)公鑰HPK一起通過(guò)密鑰中心私鑰矩陣計(jì)算生成標(biāo)識(shí)私鑰，并簽發(fā)終端；終端通過(guò)終端隨機(jī)私鑰usk、密鑰中心隨機(jī)私鑰hsk以及標(biāo)識(shí)私鑰進(jìn)行三方復(fù)合運(yùn)算，生成終端最終使用私鑰isk。終端最終使用公鑰生成流程大致為：使用終端標(biāo)識(shí)本地生成終端隨機(jī)公鑰UPK，并與密鑰中心隨機(jī)公鑰HPK，通過(guò)密鑰中心的公鑰種矩陣計(jì)算生成標(biāo)識(shí)公鑰，并簽發(fā)終端，該標(biāo)識(shí)公鑰與終端隨機(jī)公鑰UPK、密鑰中心隨機(jī)公鑰HPK共同計(jì)算生成終端最終使用公鑰。終端標(biāo)識(shí)密鑰生成過(guò)程如圖1所示。

圖1 終端標(biāo)識(shí)密鑰生成過(guò)程

3.2.2 IPK技術(shù)與PKICA技術(shù)對(duì)比

與傳統(tǒng)的PKICA認(rèn)證相比，IPK認(rèn)證效率更高、運(yùn)算時(shí)間短、簽名包長(zhǎng)度更短，同時(shí)，IPK實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全認(rèn)證，密鑰管理簡(jiǎn)單高效，相比PKI技術(shù)，IPK更加適合實(shí)現(xiàn)術(shù)對(duì)工控生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)縱深防御，效率更高，且?guī)缀醪粫?huì)對(duì)工控應(yīng)用造成任何影響，完全滿足工控生產(chǎn)的安防效能要求。

IPK標(biāo)識(shí)認(rèn)證與PKICA證書(shū)認(rèn)證的比較如表1所示。

表1 IPK與PKI技術(shù)性能比較

3.2.3 IPK實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)縱向防御的特點(diǎn)

通過(guò)終端標(biāo)識(shí)密鑰生成過(guò)程可以看出：IPK標(biāo)識(shí)密鑰的生成全部在終端本地生成，不需要依賴第三方，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)快速認(rèn)證。同時(shí)，終端最終使用密鑰是由三方參與生成，密鑰中心只是參與因子，終端密鑰更安全。可見(jiàn)，針對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)縱向安全防護(hù)，采用IPK無(wú)證書(shū)公鑰密碼技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）IPK認(rèn)證無(wú)須證書(shū)，而是使用終端設(shè)備的標(biāo)識(shí)直接作為公鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的身份授權(quán)和認(rèn)證，運(yùn)算低功耗、高效率，滿足工控網(wǎng)絡(luò)5G超高帶寬、超可靠低時(shí)延以及超大規(guī)模連接的特性，滿足工控設(shè)備窄帶通信與邊緣計(jì)算的要求，完全符合工控網(wǎng)絡(luò)縱向安全防護(hù)的安全要求。

（2）IPK可實(shí)現(xiàn)海量密鑰的簽發(fā)管理，滿足工控網(wǎng)絡(luò)所有接入設(shè)備、系統(tǒng)、應(yīng)用的密鑰簽發(fā)和安全應(yīng)用，還可通過(guò)IPK的技術(shù)特性，滿足工控網(wǎng)絡(luò)的安全隔離和互聯(lián)要求。

（3）IPK密鑰中心簽發(fā)密鑰給終端后將不再參與安全應(yīng)用，終端對(duì)密鑰進(jìn)行二次復(fù)核生成最終使用密鑰，密鑰中心無(wú)法獲知，且無(wú)法推算出終端的最終使用密鑰，密鑰簽發(fā)與使用更安全，杜絕中心被攻擊或密鑰泄露造成安全防御整體崩潰的重大安全事故。

（4）IPK與傳統(tǒng)的PKICA技術(shù)具有相同的密碼基礎(chǔ)與協(xié)議，全部基于國(guó)密SM2算法實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用，IPK與PKI可輕松實(shí)現(xiàn)技術(shù)互通，可滿足工控網(wǎng)絡(luò)云端與感知端安全體系相互融合的需求。

4 即插即用工控網(wǎng)縱向安全防御

4.1 工控網(wǎng)縱向應(yīng)用的安全風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)的工控縱向網(wǎng)絡(luò)一般包括了三部分：遠(yuǎn)程采集端、監(jiān)控中心、信息中心。遠(yuǎn)程采集端的數(shù)據(jù)發(fā)送至工控SCADA系統(tǒng)，經(jīng)SCADA實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成最終的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，一般通過(guò)生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)發(fā)送至信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在生產(chǎn)數(shù)據(jù)被遠(yuǎn)程采集、傳輸、存儲(chǔ)的整個(gè)執(zhí)行路徑中，主要存在以下安全風(fēng)險(xiǎn)：

（1）遠(yuǎn)程終端接入設(shè)備的身份合法問(wèn)題；

（2）遠(yuǎn)程終端上線發(fā)送數(shù)據(jù)的安全傳輸問(wèn)題；

（3）遠(yuǎn)程終端發(fā)送源數(shù)據(jù)的安全可信問(wèn)題；

（4）SCADA下行指令及核心參數(shù)的安全可靠問(wèn)題。

4.2 即插即用工控網(wǎng)絡(luò)縱向安全防御護(hù)架構(gòu)

即插即用工控網(wǎng)縱向安全防御的整體架構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 即插即用工控網(wǎng)縱向安全防御實(shí)現(xiàn)框架

即插即用工控網(wǎng)縱向安全防御實(shí)現(xiàn)基于IPK標(biāo)識(shí)公鑰密碼技術(shù)。在遠(yuǎn)程采集端的終端傳感設(shè)備上串聯(lián)了SEU（即插即用安全終端），SEU可以通過(guò)RJ45或RS485接口與已有的終端傳感設(shè)備（圖像、視頻監(jiān)控；RTU、PLC、網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)集中器；傳感設(shè)備等）實(shí)現(xiàn)鏈接，設(shè)備綁定無(wú)須增加新的IP。在監(jiān)控中心SCADA系統(tǒng)前端連接縱向認(rèn)證加密設(shè)備E-SCE（邊緣安全網(wǎng)關(guān)），生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳及監(jiān)控指令、關(guān)鍵參數(shù)的下發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SEU、E-SCE即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、指令加固以及數(shù)據(jù)源可信。

加入原系統(tǒng)的SEU、E-SCE不會(huì)影響原有應(yīng)用，不會(huì)增加原有系統(tǒng)的IP管理，通過(guò)TUCP（即：終端鑒權(quán)及統(tǒng)一安全管理）對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行白名單管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備密鑰的在線簽發(fā)和管理，保證接入終端的鑒權(quán)及相互間的認(rèn)證。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快捷，且后續(xù)維護(hù)成本低，完全滿足工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用時(shí)效要求。

5 總結(jié)

工控生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的縱向安全防御是工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全的核心。隨著我國(guó)《數(shù)據(jù)安全法》的實(shí)施，對(duì)于關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)與工業(yè)發(fā)展的生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全防護(hù)更為重要。工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)不僅僅是傳統(tǒng)的橫向防御，更需要加強(qiáng)工控網(wǎng)絡(luò)安全的縱深防御。

本文提供了一種全國(guó)產(chǎn)化的IPK標(biāo)識(shí)公鑰技術(shù)，基于國(guó)密算法，在滿足工控應(yīng)用的安全效能評(píng)估、不改變?cè)泄た貞?yīng)用網(wǎng)絡(luò)部署、不增加IP、不改造原有設(shè)備和系統(tǒng)的條件下，加入即插即用安全終端，快速建立工控網(wǎng)絡(luò)的縱向安全防護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了用戶自主生產(chǎn)簽發(fā)密鑰，讓用戶牢牢把控安全核心，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全的自主可控。

作者介紹：

牛毅 （1973-），男，山西太原人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于南京訊石數(shù)據(jù)科技有限公司，長(zhǎng)期從事輕量級(jí)密鑰技術(shù)的研究與應(yīng)用，主要研究方向?yàn)楣た鼐W(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)域安全隔離與互通、衛(wèi)星通信安全、物聯(lián)網(wǎng)安全、終端設(shè)備安全。

周游 （1978-），男，北京人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國(guó)家電網(wǎng)信產(chǎn)集團(tuán)北京中電飛華通信有限公司，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ偶夹g(shù)、信息通信安全等相關(guān)技術(shù)研究。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年10月刊