36、工业SCADA系统网络攻击预防的协议、解决方案和测试平台

工业SCADA系统网络攻击预防的协议、解决方案和测试平台

1 引言

随着工业自动化的发展，工业系统采用了监督控制和数据采集（SCADA）系统来监控和控制远程现场设备。该系统通过实时收集和处理数据，有效监测工业过程，其关键组件包括传感器、现场设备、控制器、SCADA网络和远程终端单元（RTU）等。

然而，由于SCADA系统结构复杂，在数字时代面临着严峻的网络攻击威胁。黑客对系统中的敏感数据感兴趣，若系统无法及时更新、网络配置不当，就容易成为攻击目标。为防止网络攻击，硬件安装和代码部署需遵循相应政策和规则。目前，网络攻击在医疗、国防和智能电网等领域频发，使用杀毒软件等防御机制已成为必要。

下面将介绍SCADA系统的相关内容，包括系统架构、流量特性、安全需求、涉及的协议等，并提出预防网络攻击的建议和测试平台。

2 SCADA系统

2.1 架构

SCADA系统为保障工业机器的监控和控制功能，采用了六个主要组件，具体如下：
|组件|功能|
| ---- | ---- |
|操作员|作为主要协调单元，监控系统、生成地址相关警报，并执行控制系统操作以避免工业异常|
|人机界面（HMI）|为操作员与SCADA系统通信提供接口，接收主终端单元（MTU）信息并转换为控制命令|
|广域网（WAN）|即互联网，包含与行业或组织相关的网络、应用和数据库，是SCADA系统的通信骨干，方便操作员远程连接|
|主终端单元（MTU）|被视为SCADA系统的核心，远程收集终端数据并传输给HMI，实现高级逻辑控制|
|现场设备|是加速SCADA系统任务的主要工作组件，分布在整个系统中，通过网络相互通信并与系统软件交互，辅助监控和控制工业过程|
|远程终端单元（RTU）|基于微处理器，用于控制现场设备，使其连接到SCADA主工厂，为物理环境提供接口，并通过接口与操作员连接|

2.2 流量特性

SCADA网络流量具有异构性，不同厂商的设备协同工作，了解流量特性有助于发现网络攻击。具体特性如下：
- 流量特征 ：涉及数据包统计、流量模式、稳定性、持久连接寿命、流向预测等，吞吐量是关键特征，其急剧变化可能是网络攻击的指标。
- 服务质量要求 ：数据包传输延迟可能因网络入侵导致，实时进程有特定的数据传输时间要求，服务质量（QoS）可监测延迟，间接判断攻击可能性。
- 更新和事件顺序 ：系统无法更新到最新补丁易遭受攻击，QoS可检测威胁，但系统需定期更新以应对网络威胁，同时通过更新数据进行事件监控，指导系统决策。
- 协议配置 ：网络基于特定协议和配置运行，协议异常可能表示有新协议入侵，监控协议有助于检测恶意活动，指导网络管理员进行系统配置。
- 寻址 ：SCADA系统使用传统互联网协议（IP）进行设备和软件通信寻址，地址映射与介质访问控制（MAC）相关，MAC地址变化可能意味着硬件设备变更，可用于检测非法硬件安装。

2.3 安全需求

SCADA系统的安全至关重要，需考虑以下参数：
- 保密性 ：保护现场设备间传输的数据和机器处理的数据不被未经授权访问，可采用加密、掩码或令牌化等混淆技术。
- 完整性 ：确保数据完整性对机器决策至关重要，数据修改可能导致物理系统损坏。
- 可用性 ：保证数据持续可用，避免因数据中断导致工业危害，保障员工安全。
- 访问控制 ：合理分配员工对现场设备、RTU、控制器等组件的访问和修改权限。
- 网络安全 ：将SCADA内部网络与互联网或公共网络隔离，安装防火墙和入侵检测系统（IDS），防止外部入侵。
- 政策 ：制定技术和非技术方面的安全政策，明确密码等敏感数据的使用方式，包括恢复计划、风险向量分析和审计程序等。

2.4 安全：IT与SCADA对比

SCADA系统的安全概念与信息技术（IT）有显著差异，具体表现在以下方面：
- 安全概念 ：IT网络以信息保密性为首要资产，可用性次之，必要时可关闭设备或服务器；而SCADA系统需持续运行，可用性是最高优先级，传统IT安全概念不适用于工业SCADA网络。
- 漏洞管理 ：当前大量现场设备因设计脆弱易受恶意软件和勒索软件攻击，需定期更新软件补丁。传统IT系统可通过自动化和手动配置的软件和设备保障安全，但SCADA系统结构脆弱，扫描可能导致系统关闭，如2008年Hatch核电站因单台计算机更新导致全厂关闭。
- 操作要求 ：IT网络和设备应用于特定企业环境，环境可控；而SCADA系统环境不明确，设备安装在现场，需高精度安装，且设备生命周期长，基础设施设计需综合考虑安全因素。

3 涉及的协议

SCADA系统中有大量通信，需执行实时运行的协议，其中现场总线（FB）协议是重要的基于网络的协议，用于实时分布式工业系统，其特点如下：
- 通信功能 ：有助于现场设备、传感器和执行器之间的网络通信。
- 与传统拓扑的区别 ：通过电报的长度和数据大小区分，使用单根电缆连接所有设备或节点。
- 优势 ：架构简单，实现速度快。

graph LR;
    A[操作员] --> B[人机界面（HMI）];
    B --> C[广域网（WAN）];
    C --> D[主终端单元（MTU）];
    D --> E[现场设备];
    E --> F[远程终端单元（RTU）];
    F --> A;

以上是SCADA系统的部分内容，后续将继续介绍密钥管理架构、系统漏洞及建议、测试平台等内容。

工业SCADA系统网络攻击预防的协议、解决方案和测试平台

4 密钥管理架构（KMA）

在SCADA系统中，数据在网络传输过程中的安全性至关重要。密钥管理架构（KMA）就是为了保障SCADA通信安全而设计的。KMA主要负责密钥的生成、分发、存储、更新和撤销等操作，确保数据在传输过程中不被窃取或篡改。

4.1 密钥生成

密钥生成是KMA的基础环节，需要生成高强度、随机的密钥。常见的密钥生成算法有RSA、AES等。生成的密钥分为对称密钥和非对称密钥，对称密钥用于数据的加密和解密，非对称密钥用于数字签名和身份验证。

4.2 密钥分发

密钥分发是将生成的密钥安全地传输到各个通信节点。常见的密钥分发方式有手动分发和自动分发。手动分发需要管理员手动将密钥配置到各个节点，这种方式安全性高，但效率低；自动分发则通过密钥分发中心（KDC）自动将密钥分发给各个节点，这种方式效率高，但需要保证KDC的安全性。

4.3 密钥存储

密钥存储是将密钥安全地存储在各个节点。密钥存储需要考虑密钥的保密性和完整性，常见的存储方式有硬件存储和软件存储。硬件存储如智能卡、USB Key等，安全性高；软件存储如文件加密、数据库加密等，使用方便。

4.4 密钥更新

密钥更新是定期更换密钥，以防止密钥被破解。密钥更新需要考虑更新的频率和方式，常见的更新方式有手动更新和自动更新。手动更新需要管理员手动更换密钥，这种方式安全性高，但效率低；自动更新则通过KMA自动更换密钥，这种方式效率高，但需要保证KMA的安全性。

4.5 密钥撤销

密钥撤销是在密钥泄露或不再使用时，及时撤销密钥。密钥撤销需要考虑撤销的方式和时间，常见的撤销方式有手动撤销和自动撤销。手动撤销需要管理员手动撤销密钥，这种方式安全性高，但效率低；自动撤销则通过KMA自动撤销密钥，这种方式效率高，但需要保证KMA的安全性。

5 SCADA系统漏洞及建议

5.1 系统漏洞

SCADA系统存在多种漏洞，可能导致网络攻击的发生，以下是一些常见的漏洞：
|漏洞类型|描述|
| ---- | ---- |
|跨站脚本攻击（XSS）|攻击者通过注入恶意脚本，获取用户的敏感信息|
|SQL注入攻击|攻击者通过注入恶意SQL语句，获取数据库中的敏感信息|
|权限提升攻击|攻击者通过漏洞获取系统的最高权限，控制整个系统|
|恶意软件攻击|攻击者通过感染恶意软件，破坏系统的正常运行|

5.2 建议

为了预防SCADA系统的网络攻击，可采取以下建议：
- 安装防火墙 ：防火墙可以阻止外部网络的非法访问，保护SCADA系统的安全。
- 部署入侵检测系统（IDS） ：IDS可以实时监测网络中的异常行为，及时发现并阻止网络攻击。
- 使用反恶意软件 ：反恶意软件可以检测和清除系统中的恶意软件，保护系统的安全。
- 定期更新系统和软件 ：及时更新系统和软件的补丁，修复已知的漏洞，提高系统的安全性。
- 加强员工安全意识培训 ：员工是SCADA系统安全的重要环节，加强员工的安全意识培训，提高员工的安全防范能力。

6 测试平台

为了检测SCADA系统的安全性，可使用测试平台进行渗透测试。测试平台可以模拟各种网络攻击场景，检测系统的漏洞和弱点，为系统的安全加固提供依据。

6.1 测试平台的作用

• 漏洞检测 ：通过模拟各种网络攻击场景，检测系统的漏洞和弱点。
• 安全评估 ：对系统的安全性进行评估，为系统的安全加固提供依据。
• 应急演练 ：模拟网络攻击事件，进行应急演练，提高系统的应急响应能力。

6.2 测试平台的类型

• 开源测试平台 ：如Metasploit、Nmap等，具有免费、开源、功能强大等优点。
• 商业测试平台 ：如Nessus、Qualys等，具有功能全面、技术支持好等优点。

6.3 测试步骤

测试SCADA系统的安全性可按以下步骤进行：
1. 信息收集 ：收集SCADA系统的相关信息，如网络拓扑、设备信息、应用程序信息等。
2. 漏洞扫描 ：使用测试平台对SCADA系统进行漏洞扫描，检测系统的漏洞和弱点。
3. 渗透测试 ：对检测到的漏洞进行渗透测试，验证漏洞的真实性和危害性。
4. 报告生成 ：根据测试结果生成报告，提出安全建议和改进措施。

graph LR;
    A[信息收集] --> B[漏洞扫描];
    B --> C[渗透测试];
    C --> D[报告生成];

7 总结

工业SCADA系统在工业自动化中起着至关重要的作用，但也面临着严峻的网络攻击威胁。为了保障SCADA系统的安全，需要了解系统的架构、流量特性、安全需求，采用合适的协议和密钥管理架构，及时发现并修复系统的漏洞，使用测试平台进行渗透测试。通过以上措施，可以有效预防SCADA系统的网络攻击，保障工业生产的安全和稳定。