37、SCADA系统的协议、密钥管理与安全防护

SCADA系统的协议、密钥管理与安全防护

1. SCADA系统适用的协议

在SCADA或工业系统的部署中，有多种协议可供使用，这些协议在连接不同厂商的设备、适应新技术方面发挥着重要作用。

1.1 基于FB协议的相关协议

• Bit - Bus ：基于FB协议，通信距离可达1200米，支持62.5 Kbps和1.5 Mbps的速度，具体速度取决于距离。采用基于S485规格的双绞线电缆，使用总线拓扑进行设备间通信，通过中继器增强信号，中继器可将信号增强至250米。
• Foundation Fields H1 ：也是FB的一种实现，适用于双向通信。可使用双绞线或光纤电缆进行通信，能连接多达32个节点，合适信号的最大距离为1900米，使用四个中继器可将信号扩展至9500米，但不支持广播功能。
• WorldFIP ：同样基于FB协议，对连接现场设备和控制器非常有用，可用于同步和异步应用。工作在应用层、数据链路层和物理层三层规范下，可连接最多64个节点，长度为1公里，有31.25 Kbps、1 Mbps、2.5 Mbps和5 Mbps四种数据传输速度。
• Distributed Network Protocol 3 (DNP3) ：用于自动化通信，旨在实现各种现场设备和控制器之间的数据交换，对适应SCADA系统非常有用。RTU、传感器、设备和控制器都可通过DNP3实现通信。最初是较慢的接口，后来支持TCP/IP，使其更强大和高效。

下面用表格总结这几种协议的特点：
| 协议名称 | 基于协议 | 通信距离 | 速度 | 通信电缆 | 拓扑结构 | 功能特点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| Bit - Bus | FB | 可达1200米 | 62.5 Kbps和1.5 Mbps | 基于S485的双绞线 | 总线拓扑 | 用中继器增强信号 |
| Foundation Fields H1 | FB | 1900米（合适信号），扩展至9500米 | - | 双绞线或光纤 | - | 双向通信，不支持广播 |
| WorldFIP | FB | 1公里 | 31.25 Kbps、1 Mbps、2.5 Mbps、5 Mbps | - | - | 适用于同步和异步应用 |
| DNP3 | - | - | - | - | - | 支持TCP/IP，用于自动化通信 |

1.2 以太网协议（Ethernet - Based Protocol）

以太网协议被认为是适用于SCADA等异构系统的最受认可的协议之一。它具有可行性、通用性和普遍性，非常适合用于SCADA系统。通过使用MAC层进行现场设备和控制器之间的通信，满足工业系统中通信网络低延迟的要求，且工业以太网比传统的Cat5或Cat6电缆更快。

EtherCAT使用以太网协议，适用于SCADA等实时和处理系统，但会浪费高带宽。在与现场设备自动化工作时，嵌入以太网控制器不可行，采用主从架构在节点或现场设备之间传输数据，支持逻辑、广播、物理和多地址四种寻址机制。

以下是该类协议下的几种具体协议：
- Foundation High - Speed Ethernet (HSE) ：包含Foundation现场总线H1协议和以太网协议，通过Linking Device (LD)在SCADA系统中组合这两个协议，LD在HSE设备和Foundation现场总线H1设备之间建立桥接连接，使用MAC地址识别SCADA系统中的设备，FD作为用户层和设备之间的通信接口。
- International Electrotechnical Commission (IEC) 61,850 ：规定了SCADA HMI和设备之间数据和信息交换所需的服务栈和功能。与HSE类似，使用MAC地址对SCADA网络中的现场设备进行寻址，包含直接映射到以太网的关键消息。Manufacturing Messaging Specification (MMS)使用TCP/IP在现场设备和控制器之间传输消息，使用UDP进行时间同步消息传输。
- Sercos III ：作为控制器、设备和以太网节点三个实体之间的接口，通过主从节点概念以循环方式在各节点之间传输数据。通过两个电报进行数据交换，主数据电报（MDT）包含主节点传输的所有信息，确认电报（AT）由主节点发起，包含从节点的响应。

下面用mermaid流程图展示以太网协议相关协议的关系：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[以太网协议（EBP）]:::process --> B[EtherCAT]:::process
    A --> C[Foundation High - Speed Ethernet (HSE)]:::process
    A --> D[International Electrotechnical Commission (IEC) 61,850]:::process
    A --> E[Sercos III]:::process

1.3 串行协议（Serial - Based Protocols）

串行协议对远程控制和监控工业系统非常有用，是SCADA系统必不可少的协议。最流行的串行协议是IEC60870，数据速率为9600位/秒。基于该协议有两个重要的子协议：
- Modbus ：是工业系统中设备和控制器之间通信广泛采用的协议。因其易于部署、维护可行和规范简单，在SCADA等工业系统中更受欢迎，还能在不同网络的设备之间建立连接。Modbus帧能够为要传输的帧创建地址，并对接收的帧进行错误检查。
- Unitronics PCOM ：用于PLC设备之间的通信，基于传统的请求 - 响应机制进行数据和信息交换，能够提供PLC之间的通信，采用主从架构。消息传递可以使用ASCII或二进制模式，ASCII模式使用一个操作数，二进制模式使用多个操作数，还会对数据进行错误校验。

1.4 通用工业协议（Common Industrial Protocol）

通用工业协议是一种对等协议，用于工业应用中设备和控制器之间的数据传输，可提高工业网络中所有异构设备的互操作性和一致性。其接口提供了一组用于现场设备之间通信的数据和命令，路由层指导不同网络之间的消息交换。以下是几种具体实现：
- Highway Addressable Remote Transducer (HART) ：可用于SCADA网络或其他工业网络中的模拟和数字数据传输，数字传输根据位数使用1.2 kHz或2.2 kHz频率，基于主从概念，支持点对点和多点通信拓扑，但不支持广播消息。
- Device Net (DN) ：是CIP的第一个实现，基于Controller Area Network (CAN)，工业系统或SCADA系统中的节点通过干线拓扑连接，使用11位数字对现场设备进行寻址，不支持消息广播。
- EthernetNet/IP ：是CIP的另一种实现，使用以太网作为标准，工作在OSI模型的数据链路层。将CIP消息嵌入以太网帧中，使用MAC地址管理SCADA或工业网络中现场设备的身份，使用传统的TCP/IP进行数据包的流量控制、大数据包的分段和请求消息的确认，使用UDP处理及时的数据包传输。
- DC - Bus ：信号基于模拟，适用于直流和交流的消息传输，其物理特性使其适合在OSI模型的物理层进行传输，即使信号中存在大量噪声也能进行数据传输，通过睡眠模式降低数据交换过程中的功耗。

2. 安全SCADA通信的密钥管理架构

SCADA系统在RTU、控制器和现场设备之间进行实时数据传输，因此保护这些数据免受攻击至关重要。以下是几种重要的加密密钥管理技术：

2.1 SCADA密钥建立协议（SCADA Key Establishment Protocol）

该协议基于对称密钥概念，主要功能是确保控制器到下属（C2S）的数据传输安全。MTU - RTU通过该机制与其子部分进行通信。密钥管理过程由控制器发起，控制器和下属最初共享长期密钥（LTK），通过手动方式分发。然后，通用密钥（GK）选择一个128位的随机数，并对通用种子密钥（GSK）进行哈希处理。控制器将GK指定给下属，使用下属的LTK对GK进行加密。最后，在开始C2S实际通信之前导出会话密钥。MTU之间通过公钥进行通信，公钥和私钥由密钥分发中心（KDC）指定，在MTU与其下属实际通信之前，MTU必须通过密钥交换算法获得公共密钥。

2.2 SCADA密钥管理架构协议（SCADA Key - Management Architecture Protocol）

该协议仅使用对称密钥加密技术，用于SCADA系统中的密钥交换管理。其缺点是不能安全地广播数据或消息。RTU、MTU及其下属使用该技术交换三种密钥：
- 长期KDC密钥（LTKDC）：节点之间手动共享。
- 长期节点到节点密钥（LTNN）：希望相互通信的节点之间共享。
- 会话密钥（SK）：用于SCADA网络中数据或消息的加密。该协议与KDC合作建立密钥，基于ISO 11770 - 2技术，建立节点所需的密钥后，创建具有一定使用期限的SK。

2.3 逻辑密钥层次协议（The Logical Key Hierarchy Protocol）

该协议基于逻辑树概念，使用对称密钥加密。每个成员知道与逻辑树叶节点关联的密钥。当新成员加入现有逻辑树时，协议从叶节点到根节点更新整个对称密钥。SCADA系统中的成员可以是控制器、现场设备、RTU、主站单元（MTU）等。新节点加入或离开SCADA网络时，KDC会更新密钥。改进版本LKH++在节点离开逻辑树时更高效。

2.4 Iolus框架

SCADA系统是异构系统，设备需要进行多播或广播消息。Iolus框架适用于SCADA等工业系统，能够进行现场设备、RTU和其他SCADA相关节点之间的多播和广播通信，也有助于管理主站单元（MSU）和RTU之间的通信。该框架类似于逻辑密钥层次协议的逻辑树概念，但所有子组或子成员都是安全的，除了主组外，还在子组级别进行数据加密，通常通过组安全中介（GSI）实现，GSI还中继子组之间的网络流量。

2.5 高级密钥管理协议（Advanced Key - Management Protocol）

该协议旨在保护SCADA系统中现场设备、RTU、MSU、MTU、控制器、传感器、执行器等组件之间实时传输的数据，防止外部攻击。协议包含一个子协议，为反向过程提供安全保障，RTU中的新密钥不依赖于先前的密钥，KDC使用哈希函数更新密钥。还有一个离开协议（LP），当节点离开组时，KDC使离开节点无法计算新密钥，通过删除离开节点并更新其路径上的剩余密钥，提高网络数据的安全性。协议还使用会话密钥（SK）对数据进行加密，SK需要在预定义的时间内使用，避免会话劫持或密钥泄露。此外，协议以分布式方式分担SCADA网络中的数据负载，减少低功率现场设备和传感器的负载。

下面用表格总结这些密钥管理技术的特点：
| 密钥管理技术 | 密钥类型 | 主要功能 | 适用场景 | 特点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| SCADA密钥建立协议 | 对称、公钥 | 确保C2S数据传输安全 | 控制器与下属通信 | 手动分发LTK，哈希处理生成GK |
| SCADA密钥管理架构协议 | 对称 | 管理SCADA系统密钥交换 | 各节点间密钥交换 | 不能安全广播，三种密钥交换 |
| 逻辑密钥层次协议 | 对称 | 更新逻辑树密钥 | 节点加入或离开网络 | 从叶到根更新密钥，LKH++更高效 |
| Iolus框架 | - | 支持多播和广播通信 | 异构SCADA系统 | 子组加密，GSI中继流量 |
| 高级密钥管理协议 | - | 保护实时数据传输 | 各组件间数据交换 | 子协议保障安全，分布式负载 |

3. SCADA系统的漏洞与建议

SCADA系统包含大量敏感和个人数据，且具有异构性，容易吸引黑客攻击。以下是SCADA系统软件和硬件方面的常见漏洞及相应的防护建议。

3.1 SCADA软件漏洞及防护

• 认证相关漏洞 ：SCADA软件接口的认证过程容易受到攻击，如跨站脚本攻击（CSS）、SQL注入等。攻击者可以利用这些漏洞绕过认证和授权阶段，访问未授权的数据，如员工的ID和密码或公司的新产品计划。
  • 防护建议 ：采用新的认证方式，如2 - 因子认证，避免认证绕过；对员工或客户进行培训，使其能够识别公司的原始网站，并在网站上线前进行远程测试。
• 代码注入漏洞 ：包括缓冲区溢出（BO）、代码注入、目录遍历攻击等。缓冲区溢出是由于提供给缓冲区的数据量超过可用内存大小导致的，代码注入和目录遍历攻击可能会破坏SCADA系统的服务器。
  • 防护建议 ：正确开发代码并进行合理配置，避免缓冲区溢出；控制操作员应导入内部库调用，而不是依赖或导出外部进程，防止操作系统命令注入。
• 恶意数据包注入漏洞 ：黑客可能会发送恶意数据包到SCADA网络，网络设备的规则和政策配置不当会为恶意数据包的插入提供途径。
  • 防护建议 ：对网络设备进行正确的配置和规则、政策的有效实施，防止恶意数据包注入。
• 拒绝服务攻击（DoS） ：DoS攻击可能会摧毁整个SCADA网络，对系统造成严重破坏。
  • 防护建议 ：对SCADA系统中的数据和资产进行完整性检查，避免DoS攻击。

3.2 SCADA硬件漏洞及防护

SCADA系统中的旧组件可能会增加系统的漏洞，例如过时的Web服务器、较弱的数据库版本、弱SSL等。这些组件可能无法升级软件或未及时更新到最新补丁。
- 防护建议 ：定期进行补丁更新，及时更换旧版本的节点，防止因未打补丁的节点导致的网络攻击。

下面用mermaid流程图展示SCADA系统安全防护的整体流程：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[SCADA系统]:::process --> B[软件安全防护]:::process
    A --> C[硬件安全防护]:::process
    B --> B1[认证防护]:::process
    B --> B2[代码注入防护]:::process
    B --> B3[恶意数据包防护]:::process
    B --> B4[DoS攻击防护]:::process
    C --> C1[补丁更新]:::process
    C --> C2[旧节点更换]:::process

综上所述，SCADA系统在工业领域的应用中面临着多种安全挑战，但通过合理选择和应用合适的协议、有效的密钥管理架构以及对系统漏洞的及时防护，可以提高SCADA系统的安全性和可靠性，保障工业生产的正常运行。

SCADA系统的协议、密钥管理与安全防护

4. 协议选择与应用建议

在实际的SCADA系统部署中，需要根据具体的应用场景和需求来选择合适的协议。以下是一些不同场景下的协议选择建议：

4.1 设备连接与通信场景

• 多厂商设备连接 ：如果SCADA系统中包含来自不同厂商的设备，Bit - Bus、Foundation Fields H1、WorldFIP等基于FB协议的协议是不错的选择，它们能够连接不同厂商制造的设备，具有较好的兼容性。
• 实时性要求高的场景 ：Ethernet - Based Protocol（EBP）及其相关协议，如EtherCAT、Foundation High - Speed Ethernet (HSE)等，适用于对实时性要求较高的系统。这些协议通过使用MAC层进行通信，能够满足工业系统中低延迟的需求，并且工业以太网速度较快。
• PLC设备通信 ：Unitronics PCOM专门用于PLC设备之间的通信，基于传统的请求 - 响应机制，采用主从架构，能够很好地满足PLC设备之间的数据交换需求。

4.2 数据传输类型场景

• 模拟与数字数据混合传输 ：Highway Addressable Remote Transducer (HART)可用于模拟和数字数据的传输，在SCADA网络或其他工业网络中，能够根据需要选择合适的频率进行数字传输。
• 大量数据传输 ：EthernetNet/IP使用以太网作为标准，工作在OSI模型的数据链路层，结合传统的TCP/IP进行数据包的流量控制和大数据包的分段，适合大量数据的传输。

4.3 通信拓扑场景

• 点对点和多点通信 ：HART支持点对点和多点通信拓扑，适用于需要这种通信方式的SCADA系统。
• 干线拓扑连接 ：Device Net (DN)基于Controller Area Network (CAN)，工业系统或SCADA系统中的节点通过干线拓扑连接，适合采用这种拓扑结构的系统。

下面用表格总结不同场景下的协议选择建议：
| 应用场景 | 推荐协议 | 选择原因 |
| ---- | ---- | ---- |
| 多厂商设备连接 | Bit - Bus、Foundation Fields H1、WorldFIP | 基于FB协议，可连接不同厂商设备 |
| 实时性要求高 | EtherCAT、Foundation High - Speed Ethernet (HSE) | 基于以太网协议，低延迟、速度快 |
| PLC设备通信 | Unitronics PCOM | 专门用于PLC设备通信 |
| 模拟与数字数据混合传输 | Highway Addressable Remote Transducer (HART) | 支持模拟和数字数据传输 |
| 大量数据传输 | EthernetNet/IP | 结合TCP/IP，适合大数据包传输 |
| 点对点和多点通信 | Highway Addressable Remote Transducer (HART) | 支持点对点和多点通信拓扑 |
| 干线拓扑连接 | Device Net (DN) | 基于CAN，采用干线拓扑连接 |

5. 密钥管理的实施要点

在SCADA系统中实施密钥管理时，需要注意以下要点，以确保数据的安全性和系统的稳定性。

5.1 密钥分发与更新

• 手动与自动结合 ：对于一些长期密钥，如Long Term Key (LTK)，可以采用手动分发的方式，确保密钥的初始安全性。而对于短期的会话密钥，可以通过自动的密钥交换算法进行分发，提高效率。
• 定期更新 ：为了防止密钥被破解或泄露，需要定期更新密钥。不同的密钥管理协议有不同的更新机制，例如在Advanced Key - Management Protocol中，KDC使用哈希函数更新密钥，确保新密钥的安全性。

5.2 密钥存储与保护

• 安全存储 ：密钥需要存储在安全的位置，避免被非法访问。可以采用加密存储的方式，将密钥加密后存储在设备或服务器中。
• 访问控制 ：对密钥的访问进行严格的控制，只有授权的人员或设备才能访问密钥。例如，在SCADA Key Establishment Protocol中，控制器和下属通过共享的LTK来加密和访问新的密钥。

5.3 密钥备份与恢复

• 备份策略 ：制定合理的密钥备份策略，定期备份密钥，防止密钥丢失或损坏。备份的密钥可以存储在不同的物理位置，以提高数据的安全性。
• 恢复机制 ：建立有效的密钥恢复机制，当密钥丢失或损坏时，能够及时恢复密钥，确保系统的正常运行。

下面用mermaid流程图展示密钥管理的实施流程：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[密钥管理]:::process --> B[密钥分发与更新]:::process
    A --> C[密钥存储与保护]:::process
    A --> D[密钥备份与恢复]:::process
    B --> B1[手动分发LTK]:::process
    B --> B2[自动交换会话密钥]:::process
    B --> B3[定期更新密钥]:::process
    C --> C1[加密存储密钥]:::process
    C --> C2[访问控制]:::process
    D --> D1[制定备份策略]:::process
    D --> D2[建立恢复机制]:::process

6. 持续监测与应急响应

为了确保SCADA系统的安全运行，需要建立持续监测和应急响应机制，及时发现和处理潜在的安全威胁。

6.1 持续监测

• 数据流量监测 ：对SCADA系统中的数据流量进行实时监测，分析流量的异常情况，如流量突然增大或减小、异常的数据包类型等。可以使用入侵检测系统（IDS）或入侵防御系统（IPS）来实现数据流量的监测。
• 设备状态监测 ：监测SCADA系统中设备的状态，如设备的运行温度、电压、电流等参数。当设备状态出现异常时，及时发出警报。
• 日志分析 ：对SCADA系统中的日志进行分析，包括系统日志、应用程序日志等。通过日志分析，可以发现潜在的安全事件和异常行为。

6.2 应急响应

• 应急预案制定 ：制定完善的应急预案，明确在发生安全事件时的处理流程和责任分工。应急预案应包括事件的分类、响应级别、处理步骤等内容。
• 应急演练 ：定期进行应急演练，提高应急响应团队的处理能力和协同作战能力。通过演练，可以发现应急预案中存在的问题，并及时进行改进。
• 事件处理 ：当发生安全事件时，按照应急预案进行处理，及时隔离受影响的设备和网络，恢复系统的正常运行。同时，对事件进行深入分析，总结经验教训，防止类似事件的再次发生。

下面用表格总结持续监测和应急响应的要点：
| 监测与响应内容 | 具体措施 |
| ---- | ---- |
| 持续监测 | 数据流量监测、设备状态监测、日志分析 |
| 应急响应 | 应急预案制定、应急演练、事件处理 |

7. 总结

SCADA系统在工业生产中扮演着重要的角色，但也面临着诸多安全挑战。通过选择合适的协议、有效的密钥管理架构、及时的漏洞防护、合理的协议应用、正确的密钥管理实施以及持续的监测和应急响应，可以提高SCADA系统的安全性和可靠性，保障工业生产的正常运行。在未来的发展中，随着技术的不断进步和安全威胁的不断变化，SCADA系统的安全防护也需要不断地更新和完善，以适应新的挑战。