工業控制系統在過程生產、電力設施、水力油氣和運輸等領域有著廣泛的應用。傳統控制系統的安全性主要依賴于其技術的隱秘性，幾乎未采取任何安全措施。隨著企業管理層對生產過程數據的日益關注，工業控制系統越來越多地采用開放lnternet技術實現與企業網的互連。目前，大多數工業通信系統在商用操作系統的基礎上開發協議，通信應用中存在很多漏洞。在工業控制系統與Internet或其他公共網絡互連時，這些漏洞將會暴露給潛在攻擊者。此外，工業控制系統多用于控制關鍵基礎措施，攻擊者出于政治目的或經濟目的會主動向其發起攻擊，以期造成嚴重后果。例如，2010年，“震網”病毒席卷全球，伊朗布什爾核電站因遭此攻擊延期運行。因此，近年來，工業控制系統的信息安全問題成為一個廣泛關注的熱點問題。

本文主要首先結合工業控制系統的特點，分析控制系統的要求及其面臨的威脅和攻擊，其次結合相關標準，從網絡防護角度介紹了目前的信息安全解決思路，并介紹了相關的研究趨勢，包括安全通信協議和安全控制器。

1、工業控制系統的信息安全分析

1.1工業控制系統概述

工業控制系統是以計算機為基本組件，用于監測和控制物理過程的系統。這類系統包含了大部分網絡系統與物理系統連接的網絡化系統。根據其應用范圍，控制系統又可分為過程控制系統(PCS)，監控和數據采集系統(SCADA)，或網絡一物理系統(CPS)。

控制系統通常由一系列網絡設備構成，包括：傳感器、執行器、過程控制單元和通信設備?？刂葡到y通常采用分層結構，典型的控制系統網絡結構如圖1所示，第一層為安裝有傳感器和執行器等現場設備的物理設施，現場設備通過現場總線網絡與可編程邏輯控制器(PLC)或遠程終端設備(RTU)連接，PLC或RTU設備負責實現局域控制功能。第二層為控制網絡，主要負責過程控制器和操作員站之間的實時數據傳輸。操作員站用于區域監控和設置物理設施的設定值。第三層為企業網，企業工作站負責生產控制，過程優化和過程日志記錄。

根據控制系統的應用特性，可以分為安全相關的應用和非安全相關的應用。安全相關的應用一旦失效，可能會造成受控制的物理系統發生不可恢復的破壞。如果這類控制系統遭受破壞，將會對公共健康和安全產生重大影響，并導致經濟損失。

1.2工業控制系統的安全要求

傳統IT信息安全的技術相對成熟，但由于其應用場景與控制系統存在許多不同之處，因此，不能直接應用于控制系統的信息安全保護。本節主要針對控制系統與傳統IT信息安全的區別，分析控制系統信息安全的特有屬性，并提出控制系統面臨的新的挑戰。

控制系統的特點之一在于對可用性的要求。因此，傳統信息安全的軟件補丁方式和系統更新頻率對于控制系統不再適用。例如，控制系統的系統升級需要提前幾個月進行計劃，并且更新時需要將系統設為離線狀態。而且，在工業應用環境下，停機更新系統的經濟成本很高。此外，有些系統補丁還可能違反控制系統的規則設定。例如，2008年3月7日，某核電站突然停機，原因是系統中的一臺監視工廠數據的計算機在軟件更新后重啟。計算機重啟后將控制系統中的數據重置為默認值，導致安全系統認為用于給核燃料棒降溫的水溫下降。

控制系統的另一個特點在于對實時性的要求川?？刂葡到y的主要任務是對生產過程自動做出實時的判斷與決策。盡管傳統信息安全對可用性的研究很多，但實時可用性需要提供更為嚴格的操作環境。例如，傳統IT系統中經常采用握手協議和加密等措施增強安全性，而在控制系統中，增加安全措施可能會嚴重影響系統的響應能力，因此不能將傳統信息安全技術直接應用于控制系統中。為了保證控制系統具備更強的安全性，控制網絡需要實現相關安全機制和標準，這就要求網絡滿足一定的性能要求。

除了以上兩個特點，控制系統與傳統IT信息系統的最大區別在于控制系統與物理世界存在交互關系?？偟恼f來，信息安全中的許多技術措施和設計準則相對成熟，如認證，訪問控制，消息完整性，最小權限等。利用這些成熟的技術可以幫助我們防御針對控制系統的攻擊。但是，計算機安全主要考慮信息的保護，對于攻擊如何影響物理世界并沒有研究。而且，工業控制系統的資源有限，生命周期長，不能直接移植傳統IT的信息安全技術。因此，雖然目前的信息安全工具可以為控制系統提供必要的防御機制，但僅僅依靠這些機制，無法為控制系統提供充分的深度保護。

當然，與傳統IT系統相比，控制系統也存在更易操作的特點，為設計系統安全機制提供了便利?？刂葡到y的網絡動態特性更為簡單，具有服務器變動少、網絡拓撲固定、用戶人群固定、通信類型固定、使用的通信協議少等特點。

1.3工業控制系統的威脅

工業控制系統面臨的威脅可以分為兩種：系統相關的威脅和過程相關的威脅。典型的系統相關威脅和過程相關威脅如表1所示。

系統相關的威脅是指由于軟件漏洞所造成的威脅?？刂葡到y從廣義上是一種信息系統，會受到系統相關的威脅，如協議實現漏洞、操作系統漏洞等。在控制系統安全項目CCSP2009報告中，通過CSSP安全評估，將一般控制系統的系統相關威脅分為九種類型。表2列舉了這九種安全問題。

過程相關的威脅是指工業控制系統在生產過程遭受的攻擊。這種攻擊利用過程控制的特點，攻擊者非法獲取用戶訪問權限后，發布合法的工業控制系統命令，導致工業過程的故障?；诠I控制系統用戶與工業過程的交互點，可以將過程相關的威脅分為兩類：①影響現場設備的訪問控制的威脅;②影響中央控制臺的威脅。前者通常發送錯誤的現場數據到控制系統狀態監測中心，從而導致系統狀態分析出現錯誤。后者通常在中央控制臺執行合法的命令，但該命令對生產過程而言不合理，將對生產或設備產生負面影響。

控制系統的漏洞一旦被攻擊者利用，會遭受不同類型的攻擊，具體的攻擊形式可以分為：

1)欺騙攻擊：在通信過程中偽裝成某個合法設備。例如，使用一個偽造的網絡源地址。

2)拒絕式服務攻擊：系統中任意資源的不可用。例如，設備因忙于應答大量的惡意流量而無法響應其他消息等。

3)中間人攻擊：攻擊者從通信的一端攔截所有消息，修改消息后再轉發到終端接收設備。

4)重播攻擊：重復發送某個過時的消息，如用戶認證或命令等。