◎齊俊鵬 趙 越 徐 靖
1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院,北京,100048
2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司,北京,100048
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的深入應(yīng)用,工控系統(tǒng)從“信息孤島”向網(wǎng)絡(luò)化、集成化模式發(fā)展已成為必然趨勢(shì),越來(lái)越多的工控系統(tǒng)接入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)“震網(wǎng)病毒”事件爆發(fā)后,工控系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)浮出水面,并成為影響國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施和基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。加強(qiáng)工控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的安全防護(hù)已成為信息安全領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。
本文以數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)需求為切入點(diǎn),重點(diǎn)分析當(dāng)前數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)存在的安全風(fēng)險(xiǎn),并基于安全風(fēng)險(xiǎn)提出一種應(yīng)用可信驗(yàn)證模型和整體解決方案。
當(dāng)前,全球制造業(yè)正在邁向網(wǎng)絡(luò)化、智能化,而網(wǎng)絡(luò)化、智能化的前提是構(gòu)建起聯(lián)通制造業(yè)“信息孤島”、實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)安全流轉(zhuǎn)的高速網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),將為企業(yè)研發(fā)、設(shè)計(jì)、決策、管理等提供新的工具和手段,為業(yè)務(wù)鏈條的各環(huán)節(jié)提供新的協(xié)作平臺(tái),必將有力地推動(dòng)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí),催生定制化制造、協(xié)同制造、服務(wù)型制造、智能化制造等一系列新模式、新業(yè)態(tài),助推“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)實(shí)施和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
以航天科技為代表的軍工制造業(yè),是中國(guó)制造業(yè)的戰(zhàn)略力量,它的發(fā)展水平在一定程度上決定著中國(guó)高端制造業(yè)的水平。在當(dāng)前制造業(yè)整體向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的前提下,解決軍工制造業(yè)信息孤島的問(wèn)題,支持工業(yè)大數(shù)據(jù)安全有序流動(dòng),互聯(lián)是這一切的基礎(chǔ),且已變得迫在眉睫。
構(gòu)建堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系,保護(hù)敏感信息和知識(shí)產(chǎn)權(quán),避免類(lèi)似“震網(wǎng)病毒”事件再次發(fā)生,是實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)的重中之重。
圖1 數(shù)控機(jī)床組成示意圖
數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control,CNC)裝置、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體及測(cè)量裝置組成,其中除機(jī)床本體之外的部分統(tǒng)稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床組成示意圖如圖1。
機(jī)床本體是指組成機(jī)床的各機(jī)械部件,而計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的核心,是一套軟硬結(jié)合的智能化系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)從外部接收數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)層層處理,最終轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng),由機(jī)床本體執(zhí)行相關(guān)加工動(dòng)作。
數(shù)控系統(tǒng)主要的信息安全風(fēng)險(xiǎn)情況如表1。
數(shù)控機(jī)床的采購(gòu)、維修過(guò)程是當(dāng)前設(shè)備供應(yīng)鏈中安全風(fēng)險(xiǎn)非常嚴(yán)峻的一個(gè)環(huán)節(jié)。在已經(jīng)曝光的美國(guó)“量子”項(xiàng)目中,美國(guó)安全局(NSA)在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中向重點(diǎn)目標(biāo)植入惡意的軟硬件,并通過(guò)這些惡意軟硬件向互聯(lián)網(wǎng)或鄰近的接收裝置建立連接,從而達(dá)到竊取和收集目標(biāo)中的重要信息。
表1 數(shù)控機(jī)床自身的安全風(fēng)險(xiǎn)
由于數(shù)控產(chǎn)品構(gòu)成日益復(fù)雜,一臺(tái)設(shè)備的配件可能來(lái)自不同的國(guó)家和廠(chǎng)商,一套復(fù)雜的軟件系統(tǒng)可能由不同地方的人員共同設(shè)計(jì)完成,在以上任何一個(gè)環(huán)節(jié)中都可能引入后門(mén)和漏洞,極大地增加了信息安全防護(hù)難度;此外,由于與傳統(tǒng)的病毒、木馬不同,在設(shè)備中植入惡意硬件的形式更加隱蔽,一些硬件后門(mén)以邏輯漏洞的方式直接植入被封裝好的芯片中,其惡意功能只在特定的條件下才會(huì)觸發(fā),難以通過(guò)常規(guī)手段檢測(cè)出來(lái)。
當(dāng)前,我國(guó)大部分?jǐn)?shù)控設(shè)備或數(shù)控系統(tǒng)都是從國(guó)外引進(jìn),因此國(guó)外廠(chǎng)商能夠很輕易通過(guò)預(yù)設(shè)的后門(mén)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)入侵。
數(shù)控機(jī)床在采購(gòu)、維修過(guò)程中主要的安全風(fēng)險(xiǎn)情況如表2
對(duì)數(shù)控機(jī)床而言,數(shù)控機(jī)床與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)后,更容易遭受企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)中病毒感染和網(wǎng)絡(luò)攻擊,給設(shè)備的可用性和業(yè)務(wù)的延續(xù)性帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。
另一方面,當(dāng)數(shù)控機(jī)床接入企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)后,由于數(shù)控機(jī)床缺乏安全防護(hù)機(jī)制,能夠輕易被滲透攻擊和控制,從而給企業(yè)重要數(shù)據(jù)的保護(hù)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
針對(duì)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)分析,本文設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方案,采用保密傳輸單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全隔離和信息單向傳輸,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)邊界的防護(hù),互聯(lián)方案的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)如圖2示。
圖2 互聯(lián)方案的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)
表2 設(shè)備供應(yīng)鏈中的安全風(fēng)險(xiǎn)
其中保密傳輸單元是一種采用光單向性傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)信息單向傳輸?shù)陌踩綦x產(chǎn)品。保密傳輸單元由三個(gè)部分組成:外端機(jī)、單向傳輸控制通道和內(nèi)端機(jī),其中外端機(jī)與內(nèi)端機(jī)是兩臺(tái)獨(dú)立的主機(jī),外端機(jī)與內(nèi)端機(jī)之間存在唯一的連接接口,即單向傳輸控制通道。
此外,為確保數(shù)控機(jī)床和工作網(wǎng)互聯(lián)后數(shù)據(jù)交換的安全性,本文提出了一種基于單向傳輸協(xié)議的可信驗(yàn)證模型(圖3)證服務(wù)器(AS)和票據(jù)授權(quán)服務(wù)器(TGS)共同實(shí)現(xiàn)跨域之間的信息可信交換。
圖3 基于單向傳輸協(xié)議的可信驗(yàn)證模型
1.模型設(shè)計(jì)
模型定義如下:
應(yīng)用服務(wù)器:部署具體的業(yè)務(wù)系統(tǒng)(如DNC系統(tǒng)),模型中為數(shù)據(jù)的發(fā)送端;
同步服務(wù)器:業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的鏡像系統(tǒng)(如DNC系統(tǒng)),模型中為數(shù)據(jù)的接收端;
認(rèn)證服務(wù)器(AS):存儲(chǔ)身份認(rèn)證信息和相關(guān)密鑰信息,進(jìn)行客戶(hù)端身份合法性認(rèn)證,并發(fā)放身份認(rèn)證過(guò)程中產(chǎn)生的會(huì)話(huà)密鑰,防止身份認(rèn)證信息被篡改;
圖4 身份可信驗(yàn)證過(guò)程
票據(jù)授權(quán)服務(wù)器(TGS):用于確認(rèn)信息源身份的合法性,決定保密傳輸單元應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給同步服務(wù)器。
定義Kx為X與認(rèn)證服務(wù)器的共享密鑰;Kx,y為X與Y的會(huì)話(huà)密鑰,由認(rèn)證服務(wù)器發(fā)放;{m}K為用密鑰K加密信息m;TGT為用于訪(fǎng)問(wèn)TGS的票據(jù);Tx,y為X訪(fǎng)問(wèn)Y時(shí)的票據(jù)。
2.可信驗(yàn)證過(guò)程
本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)可信交換驗(yàn)證模型的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4示。
(1)保密傳輸單元外端機(jī)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)需要同步時(shí),外端機(jī)首先采集應(yīng)用服務(wù)器的相關(guān)信息,采集的信息如下:
{a,tgs,timestamp,addr}
采集信息的內(nèi)容包括應(yīng)用服務(wù)器的名稱(chēng)(a)、票據(jù)授權(quán)服務(wù)器的名稱(chēng)(tgs)、應(yīng)用服務(wù)器的IP地址(addr)以及時(shí)間戳(timestamp)。時(shí)間戳用于向身份認(rèn)證服務(wù)器(AS)表示這一身份請(qǐng)求是新的。
然后外端機(jī)開(kāi)始接收應(yīng)用數(shù)據(jù),并驗(yàn)證所傳輸?shù)腡CP/IP包是否符合保密傳輸單元設(shè)置的訪(fǎng)問(wèn)控制策略。若不符合相關(guān)訪(fǎng)問(wèn)控制策略,則終止數(shù)據(jù)接收,并產(chǎn)生告警日志,否則進(jìn)入步驟(2);
(2)外端機(jī)將應(yīng)用服務(wù)器相關(guān)信息發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器AS,用于向認(rèn)證服務(wù)器AS發(fā)出應(yīng)用服務(wù)器訪(fǎng)問(wèn)票據(jù)授權(quán)服務(wù)器TGS的請(qǐng)求,請(qǐng)求以報(bào)文形式發(fā)送。請(qǐng)求的報(bào)文內(nèi)容為{a,tgs,timestamp,addr}。
(3)AS收到請(qǐng)求報(bào)文后,在其數(shù)據(jù)庫(kù)中查找外端機(jī)的加密密鑰Kw,并產(chǎn)生隨機(jī)會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs和Ta,tgs(TGS的票據(jù)TGT)作為應(yīng)答報(bào)文。會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs用于應(yīng)用服務(wù)器與TGS進(jìn)行加密通信,用Kw加密。Ta,tgs的內(nèi)容包括:TGS的名稱(chēng)(tgs)、應(yīng)用服務(wù)器的名稱(chēng)(a)、應(yīng)用服務(wù)器的IP地址(addr)、時(shí)間戳(timestamp)、有效生存期限(lifetime)以及會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs,這些數(shù)據(jù)使用TGS的密鑰 進(jìn)行加密,以保證只有TGS才能解密。這一部分的應(yīng)答報(bào)文為:
{Ka,tgs,Ta,tgs}Kw
其中Ta,tgs={tgs,a,addr,timestamp,li fetime,Ka,tgs}Ktgs。
AS向外端機(jī)發(fā)出應(yīng)答,應(yīng)答內(nèi)容用外端機(jī)的密鑰Kw加密,使得只有外端機(jī)才能解密該報(bào)文的內(nèi)容。
(4)外端機(jī)收到AS返回的應(yīng)答報(bào)文后,通過(guò)Kw對(duì)報(bào)文進(jìn)行解密,就得到Ka,tgs和Ta,tgs。外端機(jī)后續(xù)就可以把Ta,tgs發(fā)送給TGS來(lái)證明應(yīng)用服務(wù)器具有訪(fǎng)問(wèn)對(duì)端TGS的合法身份。外端機(jī)同時(shí)從AS處得到了應(yīng)用服務(wù)器與對(duì)端TGS的會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs,用它來(lái)與TGS進(jìn)行加密通信。
外端機(jī)首先利用返回的會(huì)話(huà)密鑰(Ka,tgs)生成應(yīng)用服務(wù)器的身份認(rèn)證符Aa,tgs,認(rèn)證符Aa,tgs的內(nèi)容如下:
Aa,tgs={a,addr,timestamp}Ka,tgs
認(rèn)證符的內(nèi)容包括應(yīng)用服務(wù)器的名字(a)、應(yīng)用服務(wù)器的IP地址(addr)以及時(shí)間戳(timestamp),認(rèn)證符Aa,tgs的內(nèi)容用會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs進(jìn)行加密。
外端機(jī)根據(jù)身份認(rèn)證符(Aa,tgs)和信任憑證票據(jù)(Ta,tgs)將需同步的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。
(5)外端機(jī)采用私有協(xié)議將身份認(rèn)證符(Aa,tgs)、信任憑證票據(jù)(Ta,tgs)以及加密后的數(shù)據(jù)封裝成靜態(tài)文件,然后靜態(tài)文件通過(guò)單向傳輸通道同步至單向隔離設(shè)備的內(nèi)端機(jī)。
(6)內(nèi)端機(jī)接收到靜態(tài)文件后,根據(jù)私有協(xié)議將靜態(tài)文件進(jìn)行解析,獲得Aa,tgs和Ta,tgs的信息。
(7)內(nèi)端機(jī)與票據(jù)授權(quán)服務(wù)器TGS進(jìn)行信息交互,具體過(guò)程如下:
①內(nèi)端機(jī)向票據(jù)授權(quán)服務(wù)器TGS發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)同步的請(qǐng)求報(bào)文,報(bào)文內(nèi)容包括Ta,tgs(TGS的票據(jù)TGT)以及認(rèn)證符Aa,tgs。Ta,tgs的內(nèi)容是用TGS的密鑰Ktgs加密的(見(jiàn)步驟(3)),只有TGS才能解開(kāi),認(rèn)證符Aa,tgs的內(nèi)容使用應(yīng)用服務(wù)器和TGS的會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs進(jìn)行加密(見(jiàn)步驟(4)),以保證只有TGS才能解開(kāi)。Ta,tgs并不能證明任何人的身份,可以重復(fù)使用而且有效期較長(zhǎng),而認(rèn)證符Aa,tgs則用來(lái)證明應(yīng)用服務(wù)器的身份,只能使用一次而且有效期很短。
②TGS收到內(nèi)端機(jī)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求報(bào)文后,用自己的密鑰Ktgs對(duì)Ta,tgs進(jìn)行解密處理,得到了應(yīng)用服務(wù)器與自己的會(huì)話(huà)密鑰Ka,tgs。TGS然后用Ka,tgs解密認(rèn)證符Aa,tgs,并將認(rèn)證符Aa,tgs中的相關(guān)信息與Ta,tgs中的相關(guān)信息(a,addr,timestamp等)進(jìn)行比較。如果校驗(yàn)失敗,內(nèi)端機(jī)會(huì)立即刪除接收的數(shù)據(jù),終止數(shù)據(jù)同步流程并產(chǎn)生告警日志,否則進(jìn)入步驟(8);
(8)內(nèi)端機(jī)傳遞的驗(yàn)證信息通過(guò)TGS信任校驗(yàn)后,TGS可以相信Ta,tgs的發(fā)送者(應(yīng)用服務(wù)器)就是Ta,tgs的實(shí)際持有者,于是給內(nèi)端機(jī)返回一條確認(rèn)信息,然后內(nèi)端機(jī)會(huì)將加密后的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理;
(9)內(nèi)端機(jī)建立與同步服務(wù)器的連接,最終完成應(yīng)用數(shù)據(jù)的同步傳輸。
基于單向傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)可信交換驗(yàn)證模型,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)通信的安全性,為提高數(shù)控網(wǎng)、工作網(wǎng)互聯(lián)后整體的安全防護(hù)能力,網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)解決方案還采用了以下安全防護(hù)措施:
1.安全域邊界防護(hù)
(1)安全域劃分
數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)內(nèi)部按照業(yè)務(wù)需求和防護(hù)等級(jí)劃分為不同的安全域。其中數(shù)控網(wǎng)劃分為認(rèn)證服務(wù)器安全域、應(yīng)用服務(wù)器安全域、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全域和數(shù)控設(shè)備安全域;工作網(wǎng)劃分為認(rèn)證服務(wù)器安全域、應(yīng)用服務(wù)器安全域、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全域和用戶(hù)終端安全域。數(shù)控網(wǎng)、工作網(wǎng)內(nèi)部各安全域之間采用防火墻進(jìn)行隔離防護(hù)。
(2)VLAN劃分
數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)內(nèi)部各安全域按照設(shè)備類(lèi)型(如數(shù)控機(jī)床、終端)、業(yè)務(wù)功能(如服務(wù)器區(qū)、終端區(qū))和物理區(qū)域等原則又細(xì)化為不同的VLAN,并通過(guò)設(shè)置交換機(jī)訪(fǎng)問(wèn)控制策略限制各個(gè)VLAN之間的相互訪(fǎng)問(wèn)。
2.邊界安全防護(hù)
數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)邊界采用單向隔離設(shè)備進(jìn)行防護(hù)和控制,單向隔離設(shè)備采用類(lèi)似包過(guò)濾防火墻的功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)IP地址、通信端口的控制,阻斷網(wǎng)絡(luò)之間一切通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接,并采用私有協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的通信、轉(zhuǎn)發(fā),能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。
保密傳輸單元集安全隔離、實(shí)時(shí)信息交換、單向傳輸、內(nèi)容審查、病毒檢測(cè)、訪(fǎng)問(wèn)控制、安全審計(jì)、病毒防護(hù)等多種安全功能為一體,適合部署于不同安全等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)間,在保證多個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全隔離的同時(shí),實(shí)現(xiàn)高速的、安全的數(shù)據(jù)單向傳輸,提供可靠的信息交換服務(wù)。
3.入侵監(jiān)測(cè)
數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)均部署入侵檢測(cè)系統(tǒng)(IDS),通過(guò)IDS對(duì)網(wǎng)絡(luò)之間、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的訪(fǎng)問(wèn)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)發(fā)現(xiàn)的滲透攻擊和非授權(quán)操作等異常行為能及時(shí)告警,并采用與防火墻聯(lián)動(dòng)的機(jī)制對(duì)異常行為進(jìn)行阻斷和消除。
4.惡意代碼防范
數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)均部署防病毒系統(tǒng),對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的用戶(hù)終端、服務(wù)器等設(shè)備采取計(jì)算機(jī)病毒及惡意代碼防范措施。
在網(wǎng)絡(luò)邊界,通過(guò)保密傳輸單元集成的病毒查殺功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間的病毒、木馬等惡意代碼的防護(hù)。
5.設(shè)備接入控制
在數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)內(nèi)部采用設(shè)備MAC地址和交換機(jī)接口綁定技術(shù)控制設(shè)備的接入,并將交換機(jī)上所有暫不使用的網(wǎng)絡(luò)端口采取物理斷開(kāi)、邏輯控制等措施,限制或阻斷違規(guī)接入的設(shè)備對(duì)系統(tǒng)資源的訪(fǎng)問(wèn)。
6.安全漏洞掃描
在數(shù)控網(wǎng)和工作網(wǎng)內(nèi)部部署漏洞掃描系統(tǒng),對(duì)網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行安全檢測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端的安全漏洞,并采取相關(guān)措施及時(shí)修補(bǔ),降低系統(tǒng)的安全隱患。
在全球制造業(yè)整體向網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)下,本文詳細(xì)分析了數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn),并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)提出了網(wǎng)絡(luò)安全互聯(lián)的整體部署架構(gòu)。在這一架構(gòu)中,設(shè)計(jì)了一種基于單向傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)交換可信驗(yàn)證模型,保障了兩網(wǎng)之間數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中身份信息的可信性;在該模型的基礎(chǔ)上,本文從提高工控網(wǎng)絡(luò)整體防護(hù)能力的角度,提出了其它一些相關(guān)的安全防護(hù)措施,為工控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃出一種安全可行的技術(shù)解決方案。