内容简介
随着工业化和信息化的迅猛发展,工业控制系统越来越多地采用信息技术和通信网络技术,工业控制系统信息安全问题面临严峻的挑战。《信息安全丛书:工业控制系统信息安全指南》全面阐述了工业控制系统相关信息安全概念,详细分析了工业控制系统信息安全脆弱性以及近年来相关安全事件,对国内外的工业控制系统信息安全发展现状做了介绍。同时《信息安全丛书:工业控制系统信息安全指南》提出了工业控制系统信息安全标准体系,对关键技术做了说明,还列举了一些行业的安全防护体系建设案例。最后总结了目前工业控制系统信息安全发展中存在的问题,综合分析了未来的发展趋势。
《信息安全丛书:工业控制系统信息安全指南》可以作为广大从事工业控制系统安全管理、应用开发、部署与管理工作的高级技术人员的参考书,也可以作为高等院校工业自动化、计算机科学与技术、信息安全等相关专业的本科高年级学生、研究生的参考书。
作者简介
范科峰,男,博士(后),高级工程师,中国电子技术标准化研究院信息安全研究中心副主任。兼任IECACSEc网络安全专家、IS0/IECJTC1/SC27隐私保护专家、工业控制系统信息安全产业联盟秘书长。荣获第三届“中央****青年五四奖章”,以及省部级科技奖励7项,出版著作3部。主要从事信息安全技术标准与测评方法等领域研究。
姚相振,男,博士,高级工程师,中国电子技术标准化研究院信息安全研究中心科研项目总监。兼任IECACSEC网络安全专家。荣获首届“工业和信息化部直属单位青年岗位标兵”,发表EI/SCI论文15篇。主要从事信息安全技术标准与测评方法等领域研究。
周睿康,男,硕士,中国电子技术标准化研究院信息安全研究中心工程师,兼任工业控制系统信息安全产业联盟副秘书长,主要从事工业控制系统信息安全技术标准和测评等研究工作。
姚相振,男,博士,高级工程师,中国电子技术标准化研究院信息安全研究中心科研项目总监。兼任IECACSEC网络安全专家。荣获首届“工业和信息化部直属单位青年岗位标兵”,发表EI/SCI论文15篇。主要从事信息安全技术标准与测评方法等领域研究。
内页插图
目录
第1章 工业控制系统技术基础
1.1 工业控制系统
1.1.1 工业控制
1.1.2 工业控制系统
1.1.3 工业控制系统与IT系统比较
1.1.4 工业控制系统的关键组件
1.1.5 工业控制系统的发展趋势
1.2 可编程逻辑控制器
1.2.1 基本结构
1.2.2 功能特点
1.2.3 PLC产品情况
1.3 分布式控制系统
1.3.1 基本结构
1.3.2 功能特点
1.3.3 DCS产品市场情况
1.4 数据采集和监控系统
1.4.1 基本结构
1.4.2 功能特点
1.4.3 SCADA产品市场情况
1.4.4 SCADA系统发展历程
1.5 工业控制系统网络协议
1.5.1 Modbus协议
1.5.2 ICCP协议
1.5.3 DNP3协议
1.5.4 OPC协议
1.6 PLC、DCS、SCADA三者的异同
1.6.1 DCS与PLC的区别要点
1.6.2 DCS、PLC与SCADA的区别要点
第2章 工业控制系统信息安全分析
2.1 工业控制系统信息安全事件
2.2 工业控制系统信息安全脆弱性
2.3 工业控制系统安全防护体系
2.4 工业控制系统安全管理基本框架
2.5 国外工业控制系统信息安全发展现状
2.5.1 国外ICS信息安全现状
2.5.2 国外ICS信息安全实验室
2.6 国内工业控制系统信息安全发展现状
2.6.1 国内ICS信息安全现状
2.6.2 国内ICS信息安全对策
2.6.3 国内ICS信息安全平台建设情况
第3章 工业控制系统信息安全标准体系
3.1 ICS信息安全标准体系
3.2 我国工业控制系统信息安全标准研究
3.2.1 政策文件
3.2.2 组织与标准
3.3 国际国外工业控制系统信息安全标准研究
3.3.1 IEC 62443系列标准简介
3.3.2 NIST SP 800-82标准简介
3.3.3 NIST sP 800-53标准简介
第4章 工业控制系统信息安全主要技术
4.1 常见的攻击方法
4.1.1 IP欺骗
4.1.2 APT攻击
4.1.3 服务拒绝(DoS)攻击
4.2 工业控制系统信息安全相关技术
4.2.1 安全防护技术
4.2.2 安全检测技术
4.3 工业控制系统信息安全测评技术与措施
第5章 重点工业控制系统信息安全事件分析
5.1 伊朗核电站攻击事件分析
5.1.1 “震网”病毒特点
5.1.2 “震网”病毒攻击方法
5.1.3 “震网”病毒事件分析
5.2 乌克兰电力系统攻击事件分析
5.2.1 电力系统概述
5.2.2 变电站自动化系统概述
5.2.3 攻击导致断电的方法分析
5.2.4 攻击全程分析
5.2.5 事件总结
5.3 某石化公司SCADA系统攻击事件分析
5.4 国内企业遭遇“黑天鹅”安全门
5.5 波兰航空公司的地面操作系统遭黑客攻击事件分析
第6章 工业控制系统信息安全防护能力建设
6.1 交通行业信息安全防护建设
6.2 水利行业信息安全防护建设
6.3 烟草行业信息安全防护建设
6.4 智能化变电站信息安全防护建设
第7章 工业控制系统信息安全展望
7.1 工控系统信息安全现状
7.1.1 国际情况
7.1.2 国内情况
7.1.3 存在问题
7.2 发展趋势
附录1 术语和定义
附录2 缩略语
附录3 ICS安全管理框架说明
参考文献
前言/序言
随着两化深度融合进程的快速推进,信息技术在智能电网、智能交通、工业生产系统等工业控制领域得到了广泛应用,极大地提高了企业的综合效益。为实现系统间的协同和信息共享,工业控制系统也逐渐打破了以往的封闭性:采用标准、通用的通信协议及软硬件系统,甚至有些工业控制系统也能以某些方式连接到互联网等公共网络中。这使得工业控制系统也必将面临病毒、木马、黑客入侵、拒绝服务等传统的信息安全威胁,而且由于工业控制系统多被应用在电力、交通、石油化工、核工业等国家重要领域中,其安全事故造成的社会影响和经济损失将更为严重。工业控制系统作为各国关键基础设施的重要组成部分,已逐渐成为黑客攻击的重点目标,也逐渐成为国与国之间博弈与较量的主战场,其重要性不言而喻。
本书全面介绍了工业控制系统信息安全相关的基本概念、安全技术和标准体系,系统阐述了国内外工业控制系统信息安全现状,系统分析了工业控制系统的脆弱性。本书主要从政策、标准、技术、方案等方面展开了针对性阐述,可以作为广大从事工业控制系统网络安全管理工程设计、应用开发、部署与管理工作的高级技术人员的参考书,也可以作为高等院校工业自动化、计算机科学与技术、信息安全等相关专业的本科高年级学生、研究生的参考书。
为了方便读者阅读,下面对本书的框架作简单介绍。
第1章详细介绍了工业控制系统的基础概念,对PLC、DCS、SCADA进行了详细介绍,包括它们的基本结构、功能特点以及应用情况。
第2章对工业控制系统信息安全的脆弱性做了分析,阐述了国内外工业控制系统信息安全现状,对国内外的安全平台建设情况作了说明。
第3章介绍了工业控制系统信息安全标准体系及关键标准。
第4章对工业控制系统信息安全的关键技术以及这些技术的相关产品和测试工具等做了详细说明。
第5章对目前发生的工业控制系统信息安全事件进行了说明与分析,并进行了详细的对比。
第6章介绍了一些行业的工业控制系统信息安全防护体系的建设案例。
第7章简要说明了当前工业控制系统信息安全存在的主要问题,并对未来技术发展趋势作了说明。
信息安全丛书:工业控制系统信息安全指南 一、 严峻挑战与核心需求:为何工业控制系统(ICS)信息安全至关重要? 在当今高度互联的世界中,工业控制系统(ICS)已成为支撑现代社会运转的基石。从电力供应、供水系统、交通枢纽到制造业的生产线,ICS无处不在,它们负责自动化、监测和控制物理过程,直接关系到国家经济命脉、公共安全和人民福祉。然而,随着数字化转型的深入,ICS正面临前所未有的信息安全挑战。 传统上,ICS被设计为封闭、孤立的网络,其安全模型侧重于物理安全和访问控制。但如今,为了提高效率、实现远程监控和数据分析,ICS越来越多地连接到企业网络甚至互联网。这种连接性虽然带来了便利,但也极大地暴露了ICS系统于网络攻击的风险。一旦ICS遭受攻击,其后果可能远比传统IT系统的安全事件更为严重。数据泄露固然令人担忧,但ICS面临的风险更是直接威胁到物理世界的安全: 生产中断与经济损失: 攻击者可以远程操纵生产流程,导致设备损坏、产品质量下降,甚至完全停产,造成巨额经济损失。 基础设施瘫痪: 关键基础设施如电力、供水、交通一旦被控制,将导致大范围的社会混乱和经济停滞。 人身安全威胁: 在一些危险品生产或公共服务领域,ICS的失控可能直接威胁到操作人员甚至公众的生命安全。 环境破坏: 操纵化工厂的工艺流程可能导致危险品泄漏,引发严重的环境污染事件。 国家安全风险: 针对国家关键基础设施的攻击可能被视为国家行为,引发地缘政治紧张甚至冲突。 因此,确保ICS的信息安全不再是可选项,而是保障国家安全、经济稳定和人民生命财产安全的关键要素。ICS信息安全的核心需求在于: 1. 可用性: 确保ICS能够持续、可靠地运行,满足生产和控制的需求。 2. 完整性: 确保ICS的运行数据和控制指令准确无误,未被非法篡改。 3. 保密性: 保护ICS系统配置、操作数据和通信内容的机密性,防止敏感信息泄露。 4. 安全性: 建立健全的防御体系,抵御来自内外部的各种网络威胁。 5. 可恢复性: 在遭受攻击或发生故障后,能够快速有效地恢复ICS系统的正常运行。 二、 深度剖析:ICS面临的独特安全挑战 与传统的IT环境相比,ICS在信息安全方面面临着一系列独特的、严峻的挑战: 1. 系统固有特性: 生命周期长: ICS设备和软件通常设计用于长时间运行(可达数十年),更新换代缓慢,这导致很多系统可能运行在过时的、存在已知漏洞的操作系统或固件上。 实时性要求高: ICS的控制过程需要极低的延迟和高可靠性,任何安全措施的引入都必须仔细评估其对系统实时性能的影响,防止出现不可接受的延迟。 专用性强: ICS通常使用专门的通信协议(如Modbus, DNP3, OPC UA等),这些协议在设计时并未充分考虑现代网络安全的需求,存在固有的安全缺陷。 资源受限: 许多ICS设备(如PLC、RTU)的计算能力、内存和存储空间非常有限,难以部署复杂的安全软件或加密算法。 2. 网络架构特点: 分层结构: 传统ICS采用金字塔式的分层架构,从现场设备层到控制层,再到监控和管理层。这种结构在安全上存在边界模糊、纵深防御不足的问题。 OT/IT融合: 随着IT技术向OT(Operational Technology)领域的渗透,ICS与企业IT网络之间的连接日益增多。这种融合虽然带来了效率提升,但也为攻击者提供了更多入口,模糊了传统的安全边界。 遗留系统: 大量未经安全加固的遗留ICS系统仍然广泛运行,它们缺乏内置的安全机制,成为最薄弱的环节。 3. 安全管理与运营: 缺乏安全意识: 许多OT领域的工程师和操作人员更关注生产的稳定性和效率,对信息安全的认识不足,容易忽视安全操作规程。 漏洞管理困难: 对ICS系统进行补丁更新通常需要停机,这在生产环境中是难以接受的。因此,有效的漏洞管理和风险缓解策略至关重要。 资产可见性差: 许多组织对自身ICS资产的 inventory(清点)和资产状态缺乏清晰的了解,难以有效地进行安全管理。 应急响应能力不足: 针对ICS的网络安全事件,传统的IT应急响应流程可能不适用,需要针对ICS的特点制定和演练专门的应急预案。 供应商风险: ICS设备和软件的供应商可能无法提供及时、有效的安全更新,或者自身也存在安全漏洞,增加了整个供应链的安全风险。 三、 体系化防护:构建坚固的ICS信息安全防线 面对上述挑战,构建一个全面、多层次、体系化的ICS信息安全防护体系显得尤为重要。这需要从技术、管理和流程等多个维度进行综合考量和实施。 1. 建立清晰的安全策略与治理框架: 制定ICS安全政策: 明确ICS信息安全的总体目标、原则、责任划分以及合规性要求。 风险评估与管理: 定期对ICS资产进行识别、评估风险,并制定相应的风险应对和缓解措施。 资产管理: 建立详细的ICS资产清单,包括硬件、软件、网络设备、固件版本等,并持续更新。 漏洞管理: 建立ICS漏洞跟踪、评估和补丁管理流程,对于无法打补丁的系统,实施替代性的风险缓解措施。 供应商安全管理: 审查ICS供应商的安全能力,并在合同中明确安全责任和要求。 2. 实施纵深防御(Defense-in-Depth)策略: 网络隔离与分段: 区域划分(Zoning): 根据ICS系统的功能、风险等级和通信需求,将其划分为不同的安全区域。 通道控制(Conduits): 在不同区域之间建立受控的通信通道,只允许必要的通信通过,并进行严格的访问控制和审计。 隔离OT与IT: 使用防火墙、DMZ(Demilitarized Zone)将ICS网络与企业IT网络严格隔离,仅在必要时建立安全连接。 边界安全: 工业防火墙: 部署能够理解工业协议的下一代防火墙,实现对ICS协议的深度检测和控制。 入侵检测/防御系统(IDS/IPS): 部署专门针对ICS协议的IDS/IPS,实时监测和阻止潜在的恶意活动。 安全网关: 在ICS网络与外部网络之间部署安全网关,实现安全协议转换、访问控制和数据过滤。 终端安全: 设备加固: 对ICS设备进行安全配置,禁用不必要的服务和端口,修改默认密码,限制物理访问。 软件白名单: 仅允许已知的、经过批准的应用程序在ICS设备上运行。 防病毒/防恶意软件: 谨慎选择和部署适用于ICS环境的防病毒解决方案,避免影响系统性能。 通信安全: 加密通信: 在关键通信路径上使用加密技术,如TLS/SSL,保护数据传输的机密性和完整性。 身份认证: 对连接到ICS网络的设备和用户进行强身份认证,确保只有授权实体能够访问。 3. 强化操作安全与人员管理: 安全意识培训: 对所有接触ICS系统的操作人员、工程师和IT人员进行定期的信息安全意识和操作规程培训。 最小权限原则: 确保用户和系统只拥有完成其工作所需的最低权限。 安全审计与日志管理: 记录ICS系统的所有关键操作、安全事件和网络流量,并进行定期分析和审计,以便进行事后追溯和威胁检测。 安全补丁管理: 建立严格的补丁测试和部署流程,尽量在维护窗口期内完成补丁更新。 远程访问安全: 对远程访问ICS系统进行严格控制,使用VPN、多因素认证等安全措施,并对远程访问活动进行监控。 4. 构建有效的应急响应与恢复能力: 制定ICS安全事件响应计划: 明确事件分类、响应流程、责任人、沟通机制以及升级路径。 建立备份与恢复机制: 定期对ICS系统配置、关键数据进行备份,并进行恢复演练,确保在发生故障时能够快速恢复。 安全事件监测与分析: 部署安全信息和事件管理(SIEM)系统,对ICS日志进行集中收集、分析和告警。 定期演练: 定期组织ICS安全事件响应演练,检验应急预案的有效性,提高团队的响应能力。 四、 前沿趋势与未来展望 随着技术的不断发展,ICS信息安全领域也在不断演进。未来,我们可以预见以下趋势: AI与机器学习在ICS安全中的应用: 利用AI技术对ICS网络流量和行为进行异常检测,主动识别潜在威胁。 ICS安全运营中心(SOC)的建立: 专门针对ICS环境构建安全运营中心,提供24/7的监控、分析和响应服务。 物联网(IoT)与ICS的融合安全: 随着越来越多的智能设备接入ICS,如何保障这些设备的安全性将成为新的挑战。 零信任安全模型在ICS中的应用: 摆脱传统的基于边界的信任模型,对每一次访问都进行严格的验证。 软件定义网络(SDN)与ICS安全: 利用SDN技术实现更灵活、动态的网络安全策略配置和管理。 总结: 工业控制系统的信息安全是保障国家关键基础设施、社会经济稳定和人民生命财产安全的关键。它面临着独特而严峻的挑战,需要系统性的、多层次的防护措施。通过建立健全的安全策略、实施纵深防御、强化操作安全和应急响应能力,并积极拥抱前沿技术,我们可以构建起坚固的ICS信息安全防线,应对日益复杂的网络威胁,确保工业生产的安全、稳定和可靠运行。