华南管网生产网络安全分析与防范

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  【摘要】随着通信技术及信息技术的飞速发展,信息网络已渗透到社会的每一个角落,工业生产对信息化的依赖程度达到前所未有的高度,信息化与工业化深度融合。本文通过对生产网与自动化办公网络互联过程所面临的安全性问题进行分析,提出生产网络安全防范措施及建议。目的为同类成品油管道生产企业生产网络安全防范提供参考和借鉴。
  【关键词】SCADA系统;信息安全
  成品油管道输送过程中高度的自动化工业控制手段是确保管道安全、稳定输送成品油的前提,近年来为了实现实时数据采集与生产控制,满足“两化融合”的需求和管理的方便,工业控制系统和企业管理系统往往需要直接进行通信,而企业管理系统一般直接连接Internet,在这种情况下,工业控制系统也面临着来自Internet的威胁。因此建立成品油管道企业SCADA系统的安全防护体系和安全模型,对确保SCADA系统安全稳定运行,加速实现“数字化管道”的进程具有重要的现实意义,是当前管道企业自动化控制系统建设中亟待解决的大问题。
  一、华南管网生产网现状及特点
  销售华南分公司作为石化企业最长的成品油长输管道,典型的资金和技术密集型企业,负责西南及珠三角3千多公里的成品油输送业务,管道全线由国际上先进的SCADA系统完成对输油管道生产过程的数据采集、监视、水击保护与控制,批量计划、批次编排与输送,管道泄漏检测与定位等任务。华南管网的生产运行以调控中心操作控制为主,管道生产的连续性很强,装置和重要设备的意外停产都会导致巨大的经济损失,生产管理上更注重安全和平稳运行。SCADA控制网络由DCS、PLC和SCADA等控制系统构成,生产网在数据采集方面,采用开放性设计。开放性设计是当今系统设计的基本要求,它要求计算机软硬件厂家共同遵守通用的国际标准,以实现不同厂家设备之间的通讯。整个华南管网SCADA系统采用OPC协议、IEC 104协议、Modbus协议等通用标准接口与几十家甚至上百家的第三方设备通讯,采集足够的管线运行参数,如液位、温度、电气、阴保、密度等信号,确保对管线的有效监控。具体架构见图1所示。
  在通信方式上,为确保监控数据及时、准确、安全的传输,采用沿管线敷设通信光缆线路方式,建立基于光同步数字传输系统下多业务传输平台(MSTP)的综合性通信网络,通过MSTP通信信道(主用信道)和公网SDH 2M信道(备用信道)方式进行数据传输和保护,以实现对沿线站场及线路SCADA实施远距离的数据采集、监视控制、安全保护和统一调度管理。在数据交换上,采用思科路由交换设备构建,使用EIGRP路由协议作为主干路由协议,负责整个网络的路由计算,具体网络拓扑见图2。
  二、生产网络安全隐患分析
  1.操作系统安全漏洞
  目前公司主要采用通用计算机(PC)+Windows的技术架构,操作系统使用WINDOWS SERVER 2003、WINDOWS SERVER 2008。当今的DCS厂商更强调开放系统集成性,各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术,而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。这一思路的转变使得现代DCS的操作站完全呈现PC化与Windows化的趋势。PC+Windows的技术架构现已成为控制系统操作站(HMI)的主流,任何一个版本的Windows自发布以来都在不停的发布漏洞补丁,为保证过程控制系统相对的独立性,现场工程师通常在系统正式运行后不会对Windows平台打任何补丁,更为重要的是打过补丁的操作系统没有经过制造商测试,存在安全运行风险。但是与之相矛盾的是,系统不打补丁就会存在被攻击的漏洞,即使是普通常见病毒也会遭受感染,可能造成Windows平台乃至控制网络的瘫痪。
  2.网络通信协议存在安全漏洞
  OPC协议、Modbus协议等通用协议越来越广泛地应用在工业控制网络中,随之而来的通信协议漏洞问题也日益突出。例如,OPCClassic协议(OPCDA,OPCHAD和OPCA&E)基于微软的DCOM协议,DCOM协议是在网络安全问题被广泛认识之前设计的,极易受到攻击,并且OPC通讯采用不固定的端口号,导致目前几乎无法使用传统的IT防火墙来确保其安全性。因此确保使用OPC通讯协议的工业控制系统的安全性和可靠性给工程师带来了极大的挑战。
  3.杀毒软件漏洞
  为了保证工控应用软件的可用性及稳定性,目前部分工控系统操作站不安装杀毒软件。即使安装了杀毒软件,在使用过程中也有很大的局限性,原因在于使用杀毒软件很关键的一点是,其病毒库需要不定期的更新,这一要求尤其不适合于工业控制环境。而且杀毒软件对新病毒的处理总是滞后的,这容易导致大规模的病毒攻击,特别是新病毒。
  4.应用软件漏洞
  由于应用软件多种多样,很难形成统一的防护规范以应对安全问题;另外当应用软件面向网络应用时,就必须开放其应用端口。因此常规的IT防火墙等安全设备很难保障其安全性。互联网攻击者很有可能会利用一些大型工程自动化软件的安全漏洞获取设备的控制权,一旦这些控制权被不良意图黑客所掌握,那么后果不堪设想。
  5.缺乏有效的网络监控手段
  缺乏统一的网络和业务系统监控平台,主要体现在以下四个方面。
  第一是随着生产网络不断拓宽,对网络的依赖越来越大,要求对网络管理的内容日趋增多,包括网络管理、性能管理、应用管理、使用管理、安全系统等内容。第二是业务服务的规模增大,规划、维护、安全、管理等分工更加细致,管理迫切要求对业务服务管理和维护建立统一的、规范的、体系化的、层次化的服务管理。第三是多设备、多系统的运行信息、告警信息的多样化,需要对这些信息进行集中化的管理,进行智能化的分析、统计,得出有利于网络管理和维护的数据,便于更有效、更快捷的解决问题。第四是管理人员不断增多,管理流程日益复杂,管理成本不断上升,技术管理体系需要完善。   6.网络未有效隔离
  公司生产网与Internet网间缺乏安全有效的隔离。随着互联网日新月异的发展和企业集团信息化整合的加强,中石化总部提出了生产数据集中采集,通过广域网实现集团内部资源共享、统一集团管理的需求,企业信息化网络不再是单纯意义上的Intranet,而Internet接入也成为必然。Internet接入减弱了控制系统、SCADA等系统与外界的隔离,容易造成蠕虫、木马等病毒的威胁向工业控制系统扩散。
  7.缺乏有效的访问控制手段
  操作站(PC)和服务器提供了过多的硬件接口,光盘、移动硬盘等存储介质未经安全检测就使用给网络安全带来了隐患;笔记本电脑等非生产终端设备未经过准入许可,通过网络节点接入后,在未授权的情况下便可以访问和操控控制网络系统,也存在安全隐患。
  三、生产网络安全方案设计原则
  针对以上存在的安全隐患,通过目前大型企业网络设计及建设经验,结合生产网络的特点,生产网络系统在安全方案设计、规划过程中,应遵循以下原则:
  综合性、整体性原则:应用系统工程的观点、方法,分析网络的安全及具体措施。安全措施主要包括:行政法律手段、各种管理制度(人员审查、工作流程、维护保障制度等)以及专业措施(识别技术、存取控制、密码、低辐射、容错、防病毒、采用高安全产品等)。一个较好的安全措施往往是多种方法适当综合的应用结果。一个计算机网络,包括个人、设备、软件、数据等,这些环节在网络中的地位和影响作用,也只有从系统综合整体的角度去看待、分析,才能取得有效、可行的措施。即计算机网络安全应遵循整体安全性原则,根据规定的安全策略制定出合理的网络安全体系结构。
  需求、风险、代价平衡的原则:对任一网络,绝对安全难以达到,也不一定是必要的。对一个网络进行实际研究(包括任务、性能、结构、可靠性、可维护性等),并对网络面临的威胁及可能承担的风险进行定性与定量相结合的分析,然后制定规范和措施,确定本系统的安全策略。
  一致性原则:一致性原则主要是指网络安全问题应与整个网络的工作周期(或生命周期)同时存在,制定的安全体系结构必须与网络的安全需求相一致。安全的网络系统设计(包括初步或详细设计)及实施计划、网络验证、验收、运行等,都要有安全的内容及措施。实际上,在网络建设初期就考虑网络安全对策,比在网络建设好后再考虑安全措施,不但容易,且花费也少得多。
  分步实施原则:由于网络系统及其应用扩展范围广,随着网络规模的扩大及应用的增加,网络脆弱性也会不断增加。一劳永逸地解决网络安全问题是不现实的。同时由于实施信息安全措施需相当的费用支出。因此分步实施,即可满足网络系统及信息安全的基本需求,亦可节省费用开支。
  多重保护原则:任何安全措施都不是绝对安全的,都可能被攻破。但是建立一个多重保护系统,各层保护相互补充,当一层保护被攻破时,其它层保护仍可保护信息的安全。
  四、生产网络安全保障的主要方法和措施
  华南管网生产网的安全建设前提必须是确保生产应用系统的正常稳定,由于目前控制系统应用软件对网络稳定性及计算机性能要求较高,安全系统建设应基于不增加系统负担,不过大占用网络带宽,不因安全设备的安装增加故障点的前提考虑,尽可能进行网络外围加固监控,实现对网络安全事件的“事前、事中、事后”全程监控防范。现就生产网的建设提出自己的想法和建议,基本架构及方法如图3。
  1.采用网络隔离技术,实现内外网数据安全交互
  隔离防护系统建设必须遵循“安全隔断、适度交换”的设计原则,当用户的网络需要保证高强度的安全,同时又与其它不信任网络进行信息交换的情况下,采用数据通道控制技术,在保证内网系统和信息安全的前提下,实现内外网之间数据的安全、快速交换。采用多重安全机制、综合防范策略,彻底避免来自操作系统、命令、协议等已知和未知的攻击。目前此类安全产品以隔离网闸为代表,通过专用硬件使两个网络在物理不连通的情况下实现数据的安全传输。
  2.建立综合网管系统,全面完整掌握网络运行状况
  目前生产网所要管理的资源包括网络、主机、安全、数据库、中间件、业务系统等,通过采集以上资源全部告警状态信息、配置信息及性能信息,并与通信资源库进行关联,实现对全网的拓扑管理、配置信息管理、业务管理、故障管理、性能管理等功能。为了便于运行人员快速熟悉和掌握新的统一平台的使用,广泛采用了功能菜单和图形化界面相结合的操作界面。
  3.建立网络入侵检测系统
  入侵检测系统IDS(Intrusion Detec-tion System)提供一种实时的检测,对网络流量中的恶意数据包进行检测,发现异常后报警并动态防御。由于考虑到生产网的可用性及稳定性,故在服务器及操作站中不加装软件防火墙及网络流量检测软件,而是根据接口流量及带宽,在各管理处及输油站网络的交换机上链路出口、核心交换汇聚接口及与外网连接接口均部署IDS。为避免因设备故障影响网络通断,将IDS以旁路并联方式连接到网络中,对路由器或交换机做端口镜像,将需要监控的端口流量镜像后传输IDS后进行分析,最终通过IDS服务器完成集中监控、策略统一配置和报表综合管理等功能,实现从事前警告、事中防护到事后取证的一体化监控。
  4.建立严格的准入控制
  针对接入层用户的安全威胁,特别是来自应用层面的安全隐患,防止黑客对核心层设备及服务器的攻击,我们必须在接入层设置强大的安全屏障,从网络接入端点的安全控制入手,通过安全客户端、安全策略服务器、网络设备以及第三方软件的联动,对接入网络的用户终端强制实施企业安全策略,加强网络用户终端的主动防御能力,并严格控制终端用户的网络使用行为,保护网络安全。整个系统应包括准入控制手段、控制支撑、控制决策和应用接口4个层面。
  5.通过桌面安全实现补丁及防病毒软件升级
  操作站及服务器等PC设备考虑到生产网的安全,不直接Internet直接下载操作系统补丁及防病毒软件补丁,而在生产网内部建立桌面安全系统与外网连接,通过桌面安全系统实现对公司生产网内PC机的控制管理,从应用程序管理、外设管理、软件分发、补丁管理、文件操作审计、远程管理等多方面对PC机各种资源要素进行全程控制、保护和审计。确保桌面计算机运行的可靠性、完整性和安全性,提高PC机维护效率,从而达到自动化管理和信息安全监控的整体目的。
  五、结论
  随着计算机技术的发展,计算机病毒制造技术和黑客攻击技术也在不断的发展变化,越来越多的安全事件的发生,我国的工业基础设施面临着前所未有的安全挑战。虽然我们在生产网安全建设和防范过程中积累了一定经验,但我们仍需研究和探索,不断学习和掌握日新月异的网络安全新知识,综合运用多种安全技术来加强安全策略和安全管理,从而建立起一套真正适合企业生产网的安全网络体系。
  参考文献
  [1]戴宗坤.信息安全实用技术[M].重庆大学出版社,2005.
  [2]蒋建春.计算机网络信息安全理论与实践[M].北京邮电大学出版社,2008.
  [3]张选波.企业网络构建与安全管理项目教程[M].机械工业出版社,2012.
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