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★中國(guó)民航大學(xué)陳佳

1　介紹

工控系統(tǒng)（Industrial Control System，ICS）是重要基礎(chǔ)設(shè)施的核心，其一旦遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，造成后果影響面廣，危害大。因此，保證網(wǎng)絡(luò)安全是工控系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障^[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的研究已成為工程領(lǐng)域與學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。可信Internet連接和代理外圍防火墻提供了強(qiáng)大的Internet網(wǎng)關(guān)，主要抵御了來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的攻擊^[2]，但是無(wú)法有效地防止設(shè)備漏洞等內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)威脅。傳統(tǒng)的物理隔離方法已經(jīng)不能滿足工控系統(tǒng)功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全的雙重需求，如何保障工控系統(tǒng)免遭系統(tǒng)內(nèi)外威脅和非法入侵，是工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)階段，工控系統(tǒng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方法主要包括以下3個(gè)方面：（1）基于特征匹配的網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)方法^[3]；（2）基于設(shè)備信號(hào)偏離的異常檢測(cè)方法^[4]；（3）基于設(shè)備指紋的異常檢測(cè)方法^[5]。隨著工控系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度加快，云計(jì)算、邊緣控制和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）等最新技術(shù)導(dǎo)致現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)邊界不斷擴(kuò)大，零信任架構(gòu)（Zero Trust Architecture，ZTA）已經(jīng)成為“邊界防御”網(wǎng)絡(luò)安全策略的新架構(gòu)^[6]。早在2020年，NIST發(fā)布了SP800-207零信任架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)和操作，提高了任何網(wǎng)絡(luò)的安全性，涉及范圍包括了工控系統(tǒng)^[7]。零信任機(jī)制下的工控系統(tǒng)意味著在工控系統(tǒng)中，所有內(nèi)、外部的設(shè)備和用戶都被視為潛在威脅，需要持續(xù)地對(duì)所有設(shè)備和用戶進(jìn)行嚴(yán)格的身份認(rèn)證和授權(quán)。因此，設(shè)計(jì)出一個(gè)適合零信任機(jī)制下的工控系統(tǒng)安全防護(hù)框架顯得尤為必要，并在這一框架的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于零信任的安全防御體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工控系統(tǒng)的全方位、多層次安全防護(hù)。

2　工控系統(tǒng)零信任安全框架設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)上引入零信任安全理念是一個(gè)重要的舉措^[8]。本文設(shè)計(jì)的安全框架從三個(gè)方面確保安全性：終端可信接入、持續(xù)信任評(píng)估和動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制。首先，終端可信接入確保只有經(jīng)過(guò)身份認(rèn)證的合法用戶才能接入系統(tǒng)，從而防止終端接入異常和誤操作的問(wèn)題。其次，持續(xù)信任評(píng)估利用持續(xù)信任評(píng)估技術(shù)，對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)異常流量，從而有效防止橫向攻擊行為。最后，動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制根據(jù)用戶的身份、行為以及其他上下文信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整訪問(wèn)權(quán)限，確保只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶才能訪問(wèn)系統(tǒng)資源。該框架如圖1所示，具備終端可信接入、持續(xù)信任評(píng)估和動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制的核心安全能力，能夠?yàn)楣た叵到y(tǒng)安全防護(hù)提供可靠的解決方案。

圖1 工控系統(tǒng)零信任安全框架圖

2.1　終端可信接入

在終端請(qǐng)求訪問(wèn)主站應(yīng)用層業(yè)務(wù)資源時(shí)，首先需要在可信接入?yún)^(qū)進(jìn)行可信身份認(rèn)證。基礎(chǔ)身份認(rèn)證包括用戶ID和密碼認(rèn)證、設(shè)備硬件認(rèn)證以及應(yīng)用哈希認(rèn)證等方式，以確保終端設(shè)備的真實(shí)身份，防止假冒或劫持。基礎(chǔ)身份認(rèn)證是零信任架構(gòu)的重要基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)身份認(rèn)證完成后，還需要進(jìn)行多因素身份認(rèn)證以增強(qiáng)安全性。這里采用單包授權(quán)認(rèn)證的方法，將設(shè)備信息、應(yīng)用信息和用戶信息組合在一個(gè)授權(quán)包中，利用fwknop等工具實(shí)現(xiàn)單包授權(quán)認(rèn)證，確保接入工控系統(tǒng)的設(shè)備、應(yīng)用和用戶的可信性。這樣的認(rèn)證流程有效確保了訪問(wèn)請(qǐng)求的合法性和安全性，為工控系統(tǒng)零信任安全框架提供了可靠的基礎(chǔ)。

2.2　持續(xù)信任評(píng)估

用戶通過(guò)可信身份認(rèn)證后，則獲得對(duì)工控系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)控制權(quán)限。然而，在用戶與工控系統(tǒng)通信期間，需要進(jìn)行持續(xù)的信任評(píng)估。這一過(guò)程是零信任安全框架的核心環(huán)節(jié)之一，其功能是為上層動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制決策引擎提供訪問(wèn)終端的授權(quán)策略依據(jù)。持續(xù)信任評(píng)估的實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)用戶業(yè)務(wù)訪問(wèn)流量進(jìn)行基于基線的異常分析，包括對(duì)流量數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)特征和行為特征進(jìn)行分析，并與用戶歷史行為對(duì)比，以確定用戶行為的可信度。通過(guò)采集用戶歷史流量數(shù)據(jù)并進(jìn)行訓(xùn)練，可以建立用戶流量基線，然后解析用戶實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)并分析其行為特征，用作異常檢測(cè)的依據(jù)。在零信任網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)通信被劃分為數(shù)據(jù)平面和控制平面。用戶通過(guò)數(shù)據(jù)平面與工控系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互，而控制平面則用于發(fā)起接入申請(qǐng)。經(jīng)過(guò)信任評(píng)估、終端行為基線異常檢測(cè)以及訪問(wèn)決策代理的處理，可以進(jìn)行持續(xù)身份認(rèn)證和動(dòng)態(tài)授權(quán)，確保網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和可信度。

2.3　動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制

動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制通過(guò)接收下層持續(xù)信任評(píng)估的相關(guān)信息，根據(jù)最小權(quán)限授予策略，基于基礎(chǔ)身份信任度、歷史訪問(wèn)行為和動(dòng)態(tài)行為信任度進(jìn)行動(dòng)態(tài)授權(quán)評(píng)價(jià)，是用戶訪問(wèn)工控資源控制層的核心。動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制策略庫(kù)為用戶提供授權(quán)決策的依據(jù)，動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制策略庫(kù)包括身份信息庫(kù)、權(quán)限數(shù)據(jù)庫(kù)、終端風(fēng)險(xiǎn)信息庫(kù)和決策數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，對(duì)用戶行為進(jìn)行持續(xù)評(píng)估。

3　工控系統(tǒng)零信任安全防御體系建設(shè)

考慮到工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)的復(fù)雜性和安全防御的多樣性需求，可以借鑒零信任安全等防護(hù)理念，建立適合工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展和安全防護(hù)需求的縱深一體化防御體系^[9]。零信任理念默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)始終處于潛在的危險(xiǎn)環(huán)境中，因此用戶身份信息、硬件設(shè)備信息、訪問(wèn)過(guò)程中產(chǎn)生的行為信息以及數(shù)據(jù)流特征等多維數(shù)據(jù)可作為認(rèn)證與鑒權(quán)的來(lái)源，以確定基于身份的權(quán)限授權(quán)范圍。針對(duì)工控系統(tǒng)復(fù)雜的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)接入特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建基于零信任的縱深一體化防御體系，可以根據(jù)用戶不同業(yè)務(wù)的安全服務(wù)需求提供相應(yīng)的安全保障。這種體系結(jié)構(gòu)能夠綜合利用多種安全策略和技術(shù)手段，包括但不限于身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制、行為分析等，以確保工控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，該體系結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，可以靈活應(yīng)對(duì)不斷變化的安全威脅和攻擊手法，提高了系統(tǒng)的整體安全防御能力。

3.1　縱深聯(lián)動(dòng)防御機(jī)制建設(shè)

構(gòu)建零信任的防御體系模型并不僅限于單一維度的防御技術(shù)應(yīng)用，而是一個(gè)由點(diǎn)及面逐步建設(shè)推進(jìn)的過(guò)程。這個(gè)體系的建設(shè)是聯(lián)動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的、縱深的，并且涵蓋了多個(gè)維度。整體防御的零信任機(jī)制應(yīng)該盡可能覆蓋更多的防御面，并確保這些面能夠聯(lián)動(dòng)起來(lái)。這意味著，在構(gòu)建零信任的防御體系時(shí)，需要考慮到以下幾個(gè)方面：

聯(lián)動(dòng)化：不同的防御措施之間需要聯(lián)動(dòng)協(xié)作，形成一個(gè)整體的防御網(wǎng)絡(luò)。這樣可以確保在檢測(cè)到攻擊或威脅時(shí)，能夠及時(shí)響應(yīng)并采取相應(yīng)的防御措施。

動(dòng)態(tài)式：零信任的防御體系需要能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不斷變化的威脅和攻擊手法。這包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析網(wǎng)絡(luò)流量、用戶行為等信息，以及動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化防御策略。

縱深式：防御體系應(yīng)該是縱深的，即在不同的層面和環(huán)節(jié)都設(shè)置相應(yīng)的防御措施，形成多層次的保護(hù)。這樣即使一層防御被繞過(guò)或攻破，仍然有其他層次的防御在起作用。

多維度：零信任的防御體系應(yīng)該覆蓋多個(gè)維度，包括但不限于身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制、行為分析、數(shù)據(jù)加密等。這樣可以從不同的角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，提高了整體的安全性。

3.2　零信任SDP解決接入安全

SDP（Software Defined Perimeter，SDP）是由云安全聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的一種安全框架，它以身份為中心，融合多種判斷源，并動(dòng)態(tài)控制對(duì)資源的訪問(wèn)過(guò)程，旨在解決跨邊界企業(yè)數(shù)據(jù)中心資源訪問(wèn)安全的問(wèn)題^[10]。該設(shè)計(jì)采用單向敲門(mén)認(rèn)證機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隱身，從根本上防止網(wǎng)絡(luò)攻擊行為的產(chǎn)生，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)級(jí)資源的動(dòng)態(tài)授權(quán)訪問(wèn)。

零信任SDP架構(gòu)通過(guò)構(gòu)建SDP連接發(fā)起主機(jī)IH（即SDP客戶端）、SDP連接接受主機(jī)AH（即SDP網(wǎng)關(guān)）以及SDP控制器的三角架構(gòu)，打造零信任隱身網(wǎng)絡(luò)。這種架構(gòu)為業(yè)務(wù)打造無(wú)暴露面的隱身入口，在保障合法訪問(wèn)無(wú)中斷的前提下，規(guī)避了來(lái)自網(wǎng)絡(luò)中攻擊者的滲透掃描和攻擊。

3.3　內(nèi)部東西向微隔離防御

微隔離（Micro Segmentation）是一種創(chuàng)建業(yè)務(wù)內(nèi)部最小化安全域的方法，旨在實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)安全控制^[6]。其目標(biāo)是解決傳統(tǒng)的“串葫蘆式”安全防護(hù)手段所無(wú)法解決的橫向流量防護(hù)和云虛擬環(huán)境安全防護(hù)的問(wèn)題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)通常是基于邊界的，將網(wǎng)絡(luò)分成內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)部分，并在邊界上部署防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等安全設(shè)備來(lái)監(jiān)控和過(guò)濾流量。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和云計(jì)算的普及，傳統(tǒng)的邊界安全措施已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)內(nèi)部流量的細(xì)粒度控制需求。微隔離通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)最小化的安全域，使得不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用之間的流量在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部也能得到有效的隔離和控制。這種方法可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求和安全策略，對(duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行細(xì)粒度的訪問(wèn)控制，防止橫向攻擊和未經(jīng)授權(quán)的內(nèi)部訪問(wèn)。同時(shí)，在云虛擬環(huán)境中，微隔離也可以幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)、容器等資源的安全隔離和控制，確保云環(huán)境的安全性。總的來(lái)說(shuō)，微隔離技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建最小化安全域，實(shí)現(xiàn)了更細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)安全控制，為解決傳統(tǒng)安全防護(hù)手段無(wú)法應(yīng)對(duì)的橫向流量防護(hù)和云虛擬環(huán)境安全防護(hù)提供了有效的解決方案。

3.4　身份識(shí)別與訪問(wèn)管理

身份訪問(wèn)管理技術(shù)（Identity and Access Management，IAM）是一種能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備等資源的賬號(hào)認(rèn)證、訪問(wèn)控制和審計(jì)工作進(jìn)行集中化整合的技術(shù)^[11]。在零信任體系中，構(gòu)建高級(jí)IAM能力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有基于賬號(hào)的管理、認(rèn)證、授權(quán)和審計(jì)進(jìn)行集中的統(tǒng)一權(quán)限管理，從而提升身份識(shí)別與訪問(wèn)管理的精細(xì)化控制。IAM技術(shù)的核心功能包括：

身份管理（Identity Management）：管理用戶、組織和設(shè)備的身份信息，包括賬號(hào)創(chuàng)建、管理、修改和刪除等操作。

訪問(wèn)控制（Access Control）：控制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)權(quán)限，包括基于角色的訪問(wèn)控制、基于策略的訪問(wèn)控制等。

認(rèn)證（Authentication）：確保用戶的身份是合法的，常見(jiàn)的認(rèn)證方式包括密碼認(rèn)證、多因素認(rèn)證、單點(diǎn)登錄等。

授權(quán)（Authorization）：根據(jù)用戶的身份和權(quán)限策略，授予用戶對(duì)系統(tǒng)資源的特定訪問(wèn)權(quán)限。

審計(jì)（Audit）：記錄和監(jiān)控用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)行為，以便進(jìn)行安全審計(jì)和追蹤。

通過(guò)集中化整合身份訪問(wèn)管理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各種資源的訪問(wèn)管控，提高了系統(tǒng)的安全性和可管理性。在零信任體系中，IAM技術(shù)扮演著重要的角色，可幫助企業(yè)或組織建立起更加細(xì)粒度、動(dòng)態(tài)化的訪問(wèn)控制機(jī)制，可有效防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)泄露等安全風(fēng)險(xiǎn)。

4　結(jié)論

綜上所述，本文從零信任安全框架設(shè)計(jì)、零信任安全防御體系建設(shè)兩個(gè)方面，對(duì)基于零信任機(jī)制的工控網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)進(jìn)行了深入研究：從零信任的理念出發(fā)，以終端可信接入、持續(xù)信任評(píng)估和動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制三個(gè)方面出發(fā)，對(duì)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；通過(guò)分析工控系統(tǒng)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)要求，并借鑒不同維度的零信任方案，建立了基于縱深聯(lián)動(dòng)防御機(jī)制建設(shè)、零信任SDP解決接入安全、內(nèi)部東西向微隔離防御和身份識(shí)別與訪問(wèn)管理的縱深防御方案。零信任安全框架為整個(gè)工控系統(tǒng)的安全防護(hù)提供了基礎(chǔ)架構(gòu)，零信任安全防御體系則是基于這一框架的進(jìn)一步防護(hù)機(jī)制，兩者互為支撐、相互依存，能夠?yàn)楝F(xiàn)代工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)提供一定的理論支持。

作者簡(jiǎn)介：

陳　佳（1993-），女，山西太原人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)民航大學(xué)，研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年8月刊