谷 鵬，劉 波，幸享宏，鄒大均
（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）
0 引言
在網(wǎng)絡(luò)空間對(duì)抗加劇的背景下，關(guān)系國計(jì)民生的工業(yè)控制系統(tǒng)成為重要攻擊目標(biāo)。近年來，針對(duì)各國關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，特別是重要工業(yè)控制系統(tǒng)的攻擊頻發(fā)，如美國輸油管道關(guān)閉、烏克蘭配電系統(tǒng)被網(wǎng)絡(luò)攻擊、以色列供水設(shè)施運(yùn)行系統(tǒng)口令被破解等。這些安全事件表明，攻擊重點(diǎn)越來越指向工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)體信任、數(shù)據(jù)域信令安全方面，其根源在于實(shí)體可信機(jī)制缺乏、管控粒度不細(xì)、縱深保障能力不足[1]，因此，需要研究一種以國產(chǎn)商用密碼為突破口，構(gòu)建國產(chǎn)密碼在工業(yè)控制系統(tǒng)中深度融合的安全體系結(jié)構(gòu)，開展自主可控的國產(chǎn)密碼防護(hù)框架研究，攻關(guān)工業(yè)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵防護(hù)技術(shù)，保障工控系統(tǒng)資源和通信安全。
密碼技術(shù)作為重要的安全手段，在信息安全、身份認(rèn)證等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，保障了信息系統(tǒng)的私密性和完整性。但是，基于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，密碼技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用仍顯不足。因此，開展針對(duì)工業(yè)協(xié)議的密碼算法、密碼模塊，自主可控的工業(yè)設(shè)備上的深度融合等方面的研究與應(yīng)用，顯得尤為緊迫和重要。
1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)分析
通過調(diào)查研究我國工業(yè)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，我國工業(yè)控制系統(tǒng)主要存在以下問題。
（1）系統(tǒng)與設(shè)備存在漏洞：工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初缺乏安全性考慮，存在諸多漏洞與風(fēng)險(xiǎn)。隨著操作技術(shù)（Operation Technology，OT）與信息技術(shù)（Information Technology，IT）的深度融合，工控設(shè)備廣泛接入互聯(lián)網(wǎng)或組網(wǎng)進(jìn)入大型企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，極易遭受攻擊。
（2）缺乏系統(tǒng)化國產(chǎn)密碼支撐保障：工控系統(tǒng)普遍缺乏基于國產(chǎn)密碼的自主安全防護(hù)手段。
（3）工控設(shè)備自主程度不高：工控設(shè)備與系統(tǒng)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，自主可控能力不足，安全性差[2]。
2 國產(chǎn)商用密碼概述
為確保密碼算法的自主可控，降低敏感信息泄露和信息系統(tǒng)遭受攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，國家密碼管理局制定并發(fā)布了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和高安全強(qiáng)度的國產(chǎn)密碼算法、密碼算法使用等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基本建成了國產(chǎn)密碼應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施并提供服務(wù)。目前，國產(chǎn)密碼產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟[3]。我國自主研發(fā)的密碼算法分別有SM1 算法、SM2 算法、SM3 算法、SM4 算法、SM7 算法、SM9 算法和祖沖之算法等[4]。SM1、SM4、SM7 和祖沖之密碼是對(duì)稱算法，SM2、SM9是非對(duì)稱算法，SM3 是雜湊算法。
考慮到工控領(lǐng)域密碼應(yīng)用的復(fù)雜性，需要確保密碼應(yīng)用的安全性、合規(guī)性和有效性，需要研究商用密碼在身份認(rèn)證、通信加密、協(xié)議保護(hù)等各應(yīng)用領(lǐng)域的深度融合，發(fā)揮密碼在工控系統(tǒng)安全的核心關(guān)鍵支撐作用。
3 商用密碼與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)GB/T 25070—2019《網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)要求》中對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全要求，需要對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多層次的安全設(shè)計(jì)，包括根據(jù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)被保護(hù)對(duì)象的業(yè)務(wù)性質(zhì)進(jìn)行分區(qū)，以及針對(duì)功能層次技術(shù)特點(diǎn)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)協(xié)議復(fù)雜多樣、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源有限、設(shè)備可靠性要求高、故障恢復(fù)時(shí)間短、安全機(jī)制不能影響實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。綜合參考工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等級(jí)保護(hù)安全系統(tǒng)框架，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)
商用密碼可以完整實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間信息防泄露、內(nèi)容防篡改、身份防假冒、行為抗抵賴等功能，滿足網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)對(duì)機(jī)密性、完整性、真實(shí)性和不可否認(rèn)性等安全需求。為了提升核心工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)水平，結(jié)合《網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》，以中國工控業(yè)務(wù)特點(diǎn)為導(dǎo)向，并針對(duì)目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域在密碼應(yīng)用中存在的短板，加強(qiáng)商用密碼的應(yīng)用，形成基于商用密碼的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全的解決方案。
《網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》專門針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)推出了擴(kuò)展要求，同時(shí)要求高等級(jí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的密碼技術(shù)保證安全，推動(dòng)商用密碼技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用。在管理要求、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全計(jì)算環(huán)境等“等保2.0”三級(jí)系統(tǒng)要求中都對(duì)密碼技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了嚴(yán)格要求[5]。
以密碼為基礎(chǔ)，針對(duì)典型工業(yè)現(xiàn)場控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，本文建立工業(yè)控制系統(tǒng)密碼應(yīng)用需求框架，并提出密碼應(yīng)用模式；以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施為安全防護(hù)對(duì)象，將主機(jī)身份鑒別、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全接入、用戶認(rèn)證、傳輸加密、密鑰管理和數(shù)字認(rèn)證等技術(shù)作為支撐，配合密鑰管理、密碼服務(wù)等實(shí)現(xiàn)區(qū)域隔離、邊界防護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和漏洞檢測，最終形成滿足要求的基于商用密碼的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)，具體如圖2 所示。
圖2 基于商用密碼的工業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)
如圖2 所示，工業(yè)企業(yè)總部與全國各地的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作業(yè)單元間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是通過基于商用密碼的數(shù)字證書認(rèn)證系統(tǒng)及VPN 安全網(wǎng)關(guān)來保障傳輸安全的。基于商用密碼的數(shù)字證書認(rèn)證系統(tǒng)進(jìn)行接入認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了探針等安全設(shè)備接入時(shí)的可信性，保障了數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)耐暾院蜋C(jī)密性。邊界安全防護(hù)設(shè)備根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、作業(yè)層級(jí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全域劃分實(shí)現(xiàn)區(qū)域訪問控制，基于商用密碼技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)用戶身份認(rèn)證實(shí)現(xiàn)安全域內(nèi)、安全域之間的權(quán)限管理及訪問控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)安全域與下位機(jī)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）安全域之間的區(qū)域訪問控制和權(quán)限管理。終端安全防護(hù)系統(tǒng)（身份鑒別系統(tǒng)）主要負(fù)責(zé)操作員站、工程師站等上位機(jī)終端訪問用戶的身份鑒別與機(jī)上行為安全審計(jì)，將USBKey 中的商用密碼證書與主機(jī)用戶身份進(jìn)行綁定來實(shí)現(xiàn)終端安全防護(hù)。
4 商用密碼與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵技術(shù)及方案
4.1 基于商用密碼的邊界防護(hù)
采用商用密碼算法對(duì)接入的關(guān)鍵設(shè)備（工程師站、操作員站、PLC 等）進(jìn)行身份認(rèn)證，防止設(shè)備非法接入與訪問。網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)需要向網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證，身份認(rèn)證時(shí)采用USBKey+用戶名的雙因子認(rèn)證，USBKey 采用SM2 證書及相關(guān)商用密碼算法實(shí)現(xiàn)身份確認(rèn)，使得用戶身份認(rèn)證更加安全。SM2 密碼算法主要用于證書頒發(fā)，SM2WithSM3 密碼算法用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入認(rèn)證，基于SM2 密碼算法的證書授權(quán)機(jī)構(gòu)（Certificate Authority，CA）頒發(fā)SM2 證書，存放于USBKey 中，USBKey 支持SM2/SM3 算法，算法可以由USBKey 中的芯片硬件實(shí)現(xiàn)。
采用商用密碼算法對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)鏈路（工業(yè)企業(yè)總部與分公司、不同作業(yè)流程之間、現(xiàn)場工作單元與辦公網(wǎng)絡(luò)等）的通信數(shù)據(jù)加密。采用商用密碼算法VPN 隧道對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，用戶登錄到系統(tǒng)時(shí)建立一個(gè)安全加密通道，之后所有的通信數(shù)據(jù)都經(jīng)過加密保護(hù)，保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性與安全性。采用SM2 作為非對(duì)稱密碼算法，SM3 作為密碼雜湊算法，SM4 作為對(duì)稱密碼算法。通過使用SM2 證書驗(yàn)證加密通信兩端的身份是否可信，并對(duì)密鑰協(xié)商中的報(bào)文進(jìn)行加密，然后使用SM3 密碼算法對(duì)摘要內(nèi)容進(jìn)行簽名，密鑰協(xié)商完成后通過使用SM4 密碼算法對(duì)報(bào)文進(jìn)行對(duì)稱加解密。
4.2 基于商用密碼的終端防護(hù)
以商用密碼相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合利用終端操作系統(tǒng)訪問控制、外設(shè)控制、進(jìn)程控制、文件管控等技術(shù)，面向工控系統(tǒng)對(duì)終端進(jìn)行多方面安全防護(hù)和審計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)步驟如下文所述。
（1）通過替換操作系統(tǒng)現(xiàn)有的口令登錄驗(yàn)證模式，增加USBKey+PIN 碼雙因子登錄方式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型的操作系統(tǒng)登錄。通過使用SM2WithSM3 算法和SM2 數(shù)字證書進(jìn)行簽名和驗(yàn)簽實(shí)現(xiàn)身份鑒別，以支持商用密碼算法的USBKey 作為用戶的唯一標(biāo)識(shí)，使系統(tǒng)登錄與USBKey 緊密捆綁。用戶登錄操作系統(tǒng)時(shí)，必須同時(shí)通過USBKey 的PIN 碼及相關(guān)證書驗(yàn)證和Windows 用戶身份驗(yàn)證，才能進(jìn)入系統(tǒng)。
（2）通過在工控現(xiàn)場終端快速掃描終端本地磁盤，創(chuàng)建PE 文件（.exe,.dll,.ocx,…）、腳本白名單庫。文件特征采用高強(qiáng)度商密安全散列算法，形成白名單庫。白名單庫加密存儲(chǔ)且無法被篡改，即使被篡改后也無法執(zhí)行且會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。支持基于國密SM3 哈希算法對(duì)程序校驗(yàn)，被篡改的程序進(jìn)程無法運(yùn)行。
（3）實(shí)時(shí)采集工控終端狀態(tài)信息，包括主機(jī)IP、MAC、操作系統(tǒng)版本、硬件信息、安裝軟件信息、操作系統(tǒng)日志、開關(guān)機(jī)時(shí)間等，根據(jù)終端主機(jī)狀態(tài)監(jiān)視策略，對(duì)非正常行為記錄審計(jì)日志并告警，對(duì)違反控制策略的行為進(jìn)行阻斷。
（4）對(duì)未經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入行為進(jìn)行阻斷，并記錄審計(jì)日志和告警；監(jiān)視主機(jī)的打印行為，并記錄審計(jì)日志；監(jiān)視主機(jī)的文件操作行為，并記錄審計(jì)日志；根據(jù)文件Hash 值對(duì)重要文件進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)容變化時(shí)記錄審計(jì)日志；對(duì)主機(jī)有連接外網(wǎng)的行為時(shí)對(duì)其進(jìn)行阻斷，并記錄審計(jì)日志和告警。對(duì)終端中的文件、注冊表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)文件、注冊表名稱或路徑進(jìn)行管控，根據(jù)策略配置對(duì)非法讀取、修改、刪除文件或注冊表鍵值的行為進(jìn)行管控審計(jì)并日志告警。
4.3 基于商用密碼的安全隧道
工控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)安全的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，但是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不可控的特點(diǎn)。結(jié)合工控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求，將商用密碼與VPN 技術(shù)相融合，建立傳輸高效、數(shù)據(jù)可信的安全通道，以滿足工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全性、可靠性等需求。
如圖3 所示，遵循國家密碼管理局GM/T 0022—2014《IPSec VPN 技術(shù)規(guī)范》的要求，根據(jù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸安全的特點(diǎn)，采用虛擬私有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)密鑰交換協(xié)議（Internet Key Exchange，IKE）密鑰協(xié)商技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信隧道的建立、通信雙方身份認(rèn)證、保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性等功能。采用SM2 作為非對(duì)稱密碼算法，SM3作為密碼雜湊算法，SM4 作為對(duì)稱密碼算法。通過SM2 證書驗(yàn)證加密通信兩端的身份是否可信，并對(duì)密鑰協(xié)商中的報(bào)文進(jìn)行加密；然后使用SM3 密碼算法對(duì)摘要內(nèi)容進(jìn)行簽名，密鑰協(xié)商完成后使用SM4密碼算法對(duì)報(bào)文進(jìn)行對(duì)稱加解密[6]。
圖3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密隧道
通過硬件密碼模塊實(shí)現(xiàn)商密運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱加密速率不低于20 Mbit/s，按工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)包平均長度500 字節(jié)估算，完成該數(shù)據(jù)包的商密加解密運(yùn)算所需時(shí)間約為0.2 ms。而工控系統(tǒng)Modbus/TCP數(shù)據(jù)交互時(shí)間間隔通常為10 ms，商密運(yùn)算時(shí)間遠(yuǎn)小于工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)交互時(shí)間間隔，商密運(yùn)算對(duì)系統(tǒng)延遲的影響微乎其微，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。
為保證總部與各重點(diǎn)機(jī)構(gòu)、工控作業(yè)單元之間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的真實(shí)性、機(jī)密性、完整性，開發(fā)基于商用密碼算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)加密功能，將SM2、SM3、SM4 等算法應(yīng)用到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密環(huán)境中。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密重點(diǎn)在于建立安全的數(shù)據(jù)通道，構(gòu)造這條安全通道的協(xié)議必須具備以下條件：
（1）保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，通信主機(jī)必須是經(jīng)過授權(quán)的，要有抵抗地址冒認(rèn)（IP Spoofing）的能力；
（2）保證數(shù)據(jù)的完整性，接收到的數(shù)據(jù)必須與發(fā)送時(shí)的一致，要有抵抗不法分子篡改數(shù)據(jù)的 能力；
（3）保證通道的機(jī)密性，提供強(qiáng)有力的加密手段，必須使偷聽者不能破解攔截到的通道數(shù)據(jù)；
（4）提供動(dòng)態(tài)密鑰交換功能，提供密鑰中心管理服務(wù)器，必須具備防止數(shù)據(jù)重播（Replay）的功能，保證通道不能被重播；
（5）提供安全防護(hù)措施和訪問控制，要有抵抗黑客通過VPN 通道攻擊企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的能力，并且可以對(duì)VPN 通道進(jìn)行訪問控制（Access Control）。
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí)延低，性能高，需要研究在傳統(tǒng)VPN 的基礎(chǔ)上，通過充分利用多核平臺(tái)的優(yōu)勢，在算法的并行處理上和多核調(diào)度上進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，在關(guān)鍵的服務(wù)程序中采用多進(jìn)程的處理模式，提高連接處理的并行性，充分發(fā)揮多核處理器的性能，從而滿足在工控網(wǎng)絡(luò)中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸高性能和低時(shí)延的要求。
4.4 基于商用密碼的一體化工業(yè)控制系統(tǒng)
工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要組成設(shè)備包括PLC控制器、上位機(jī)（操作員站、服務(wù)器）等。生產(chǎn)單位的工藝流程主要依賴于控制系統(tǒng)中的PLC 設(shè)備完成，因此建設(shè)一體化安全工控系統(tǒng)，離不開安全的PLC 控制器。
以通用平臺(tái)的成熟PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)，突破商用密碼輕量化裁剪、資源受限條件下的算法優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，并與控制系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)進(jìn)行一體化深度融合，形成商密一體化安全PLC 技術(shù)。研發(fā)商用密碼一體化的通用工控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，形成具有安全防御能力的商密一體化通用安全PLC 控制器產(chǎn)品，匹配工控系統(tǒng)實(shí)際安全需求，有效解決工控系統(tǒng)自主可控能力不足的潛在安全問題。
為全面提升工控系統(tǒng)的安全性，以內(nèi)生安全為代表的安全新興技術(shù)正在興起；因此可以構(gòu)建系統(tǒng)對(duì)未知威脅的主動(dòng)防御能力，將商用密碼與擬態(tài)防御技術(shù)結(jié)合，研究突破內(nèi)生安全在工控系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，研發(fā)商用密碼一體化擬態(tài)防御工控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，打造具有主動(dòng)防御能力的安全PLC 控制器產(chǎn)品，形成具有主動(dòng)防御能力的整套擬態(tài)防御一體化安全工控系統(tǒng)解決方案，這也是將來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域重要的研究發(fā)展方向。
5 結(jié)語
目前，我國工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全保障建設(shè)尚處于起步階段，密碼應(yīng)用技術(shù)方案尚不成熟。需要針對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)及其業(yè)務(wù)特點(diǎn)，打造出一批深度融合國產(chǎn)密碼的邊界防護(hù)設(shè)備、終端安全防護(hù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)、漏洞掃描系統(tǒng)、VPN 安全網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)產(chǎn)品，充分利用國產(chǎn)商業(yè)密碼在網(wǎng)絡(luò)安全中的基石作用，構(gòu)建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)能力。
