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工業控制系統信息安全風險評估量化研究

文檔作者：盧慧康1 陳冬青2 彭勇2 王華忠1 文檔來源：華東理工大學信息科學與工程學院1 中國信息安全測評中心2 ,		點擊數：	更新時間： 2022年11月08日
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《自動化儀表》第35 卷第10 期 2014 年10 月
修改稿收到日期:2013-11-13。
第一作者盧慧康(1986-),男,現為華東理工大學信息科學與工程專
業在讀碩士研究生;主要從事控制系統信息安全方面的研究。
工業控制系統信息安全風險評估量化研究
Quantitative Research on Risk Assessment
for lnformation Security of lndustrial Control System
盧慧康1 陳冬青2 彭 勇2 王華忠1
(華東理工大學信息科學與工程學院1 ,上海 200237,中國信息安全測評中心2 ,北京 100085)
摘 要: 為解決工控系統的信息安全風險量化評估問題,提出了基于模糊層次分析法的工業控制系統信息安全風險評估方法。結合
工控系統特點,構造了層次結構模型,引入了模糊一致矩陣計算各要素相對重要性權值,克服了層次分析法需多次進行一次性檢驗問
題;自下而上對工控系統風險進行模糊綜合評判,并將評判結果反模糊化,得出了風險的精確值。實例表明,該方法能合理有效地量
化控制系統風險,為工業控制系統風險管理決策提供了依據。
關鍵詞: 層次分析法 信息安全 工業控制系統 風險評估 風險分析
中圖分類號: TP309 文獻標志碼: A
Abstract: To solve the issue of quantitative risk assessment of information security of industrial control system, the risk assessment method for
information security of industrial control system based on fuzzy analytic hierarchy process ( AHP) is proposed. In accordance with the
characteristics of the industrial control system, the hierarchical structure model is constructed, and the fuzzy consistent matrix is introduced to
calculate the relative important weights of each key element; thus the problem that AHP needs check consistency for many times is overcome;
fuzzy comprehensive evaluation for the risk of industrial control system can be carried out from bottom to top, and the defuzzification of
evaluation result is conducted to obtain accurate risk value. The practical example indicates that the method reasonably and effectively
quantified the risk of industrial control system(ICS), and it provides scientific basis for industrial control system risk management decisions.
Keywords: Analytic hierarchy process(AHP) Information security Industrial control system(ICS) Risk assessment Risk analysis
0 引言
工業控制系統(industrial control system,ICS)廣泛
應用于石油化工、交通運輸、水處理等國家關鍵基礎設
施中[1] 。隨著信息技術的發展以及“兩化”融合的深
入,傳統的工業控制系統與IT 系統,甚至與Internet 連
接越來越緊密,導致ICS 面臨的安全威脅不斷增多。
近年來,ICS 領域的信息安全事件頻發。2010 年一個
名為“震網”的病毒攻擊了伊朗的布什爾核電站,導致
離心機大量損壞,嚴重打擊了伊朗的核計劃[2] 。層出
不窮的控制系統信息安全事件表明,加強ICS 的保護
已經變得迫在眉睫。
風險的量化評估是ICS 信息安全研究的重要基
礎。國外ICS 信息安全風險評估起步較早,已建立了
如NIST800-82、ISA/ IEC 62443 等的國際標準和指
南[3-4] ;而國內在該領域的研究尚處于探索階段。目
前,國內外還沒有一套行之有效的針對ICS 信息安全
風險量化評估方法。本文針對ICS 的特點, 以
NIST800-82 和IEC 62443 為依據,進行了風險分析,提
出了基于模糊層次分析法(analytic hierarchy process,
AHP)的ICS 信息安全風險評估方法。經過實例論證,
該方法行之有效,可以為工業控制領域信息安全風險
評估工作提供借鑒。
1 信息安全風險分析
全面的風險分析是開展風險評估的前提。ICS 有
區別于傳統IT 系統的特點,如ICS 不能容忍延遲和無計
劃的中斷發生,任何復雜的數據加密認證產生的延遲都
可能會造成系統故障,由于ICS 的邏輯執行會直接影響
物理世界,設備出現故障后可能造成有毒原料泄漏、區
域停電等大規模不可預知的影響[5] 。ICS 的現實特點表
明其對實時性和穩定性要求非常高。因此,在確保系統
滿足信息安全需求的同時,應盡量避免所部署的安全設
備對工藝過程的穩定性和實時性造成影響。
風險分析分別從滿足信息安全需求和工藝需求兩
個方面對資產進行識別,形成資產類要素;根據資產脆
弱點的嚴重程度識別系統脆弱性要素;再對ICS 面臨的
21
工業控制系統信息安全風險評估量化研究 盧慧康,等
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 35 No. 10 October 2014
威脅要素和已部署的安全措施類要素進行全面的識別,
最終建立風險評估模型。通過分析各要素之間的關聯
程度,計算出系統的風險值。風險分析模型如圖1
所示。
圖1 風險分析模型圖
Fig. 1 Risk analysis model
1. 1 資產識別
資產的價值屬性是其風險存在的根源。ICS 資產
存在的形式多種多樣,按照資產不同的存在形式,可歸
為4 大類:硬件資產、軟件資產、人力資源、專利商譽。
從滿足工藝需求和滿足安全需求兩個方面對資產
進行識別。如滿足工藝需求的硬件資產主要有遠程終
端裝置(remote terminal unit,RTU)、可編程邏輯控制器
(programmable logic controller,PLC)、SCADA 服務器或
主終端單元(main terminal unit, MTU)、智能電子設備
(intelligent electronic devices ,IED)、輸入/ 輸出(I/ O)
服務器、現場總線系統等。滿足安全需求的硬件資產
包括主機、交換機、路由器、網關、防火墻等。滿足工藝
需求的軟件資產主要有組態監控軟件、工控編程軟件
等。滿足安全需求的軟件資產主要是指通信軟件、互
聯網應用軟件、辦公軟件、防病毒軟件等。
1. 2 威脅識別
工業控制系統遭受的威脅日益嚴峻。關鍵基礎設
施的安全是國家經濟穩定運行的關鍵,因此也成為了
敵對政府、商業間諜、恐怖組織等外部惡意入侵者進行
信息戰的重要戰場[6] 。系統內部有意的人為事故、無
意的操作失誤和設備故障等也會對ICS 造成破壞。例
如,一些組織內部存在移動存儲介質混用、隨意安裝各
類軟件、訪問未經授權網站等行為,這類行為不僅影響
工作效率,造成操作失誤,更為病毒、木馬等惡意代碼
侵入系統留下隱患。本文按照威脅的來源進行分類,
將威脅細分為5 類:自然環境威脅、內部無意威脅、內
部有意威脅、外部攻擊和第三方威脅。
1. 3 脆弱性識別
脆弱性的識別是風險評估中最重要的一個環節。
ICS 的脆弱性總體上可分為技術和管理兩個方面。一
直以來,ICS 的設計部署主要滿足系統的實時性和穩
定性,忽略了信息安全要求,這使得系統本身在平臺、
網絡等技術層面存在脆弱性。同時,組織內部信息安
全管理措施嚴重缺乏,如安全防范制度不完善,安全設
備的操作流程不明確,無定期、有效的系統風險檢查措
施,人員的信息安全意識淡薄,應急培訓落后等。
1. 4 安全措施識別
威脅能夠利用脆弱性對資產進行攻擊,部署安全措
施目的是降低威脅事件發生的概率和產生的影響,從而
降低系統的風險。而不適當的安全措施本身就存在可
以被利用的脆弱性。因此,在風險分析的過程中,必須
對其已經部署的安全控制措施的有效性進行全面的檢
查評估。ICS 常采取的安全控制措施主要有[7] :制定相
關法律法規、工作程序和工作指南;建立合理的組織架
構、配備相關人員;采取合理有效的技術措施等。
一般來說,單一的安全措施所發揮的防范作用是
有限的,其部署具有集合性,即某一類有效的安全措施
的集合。如圖2 所示,根據安全措施的部署的集合性
和所發揮的作用分為:預防性安全措施、檢測性安全措
施以及補救性安全措施。
圖2 工業控制系統的安全措施
Fig. 2 Security measures for industrial control system
2 信息安全風險評估
2. 1 層次分析法
層次分析法(AHP)最早是由美國匹茲堡大學教
授薩蒂于20 世紀70 年代提出,后在風險評估領域廣
泛應用[8] 。它是一種定性分析和定量分析相結合的多
層次權重決策分析方法,其核心思想是對復雜決策問
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工業控制系統信息安全風險評估量化研究 盧慧康,等
《自動化儀表》第35 卷第10 期 2014 年10 月
題的本質、影響要素以及內在關系進行深入分析,建立
層次結構模型,構造兩兩比較判斷矩陣,計算各要素的
權值并按其重要性進行排序。
層析分析法的研究熱點[9-10] 主要集中在判斷矩陣
的構造和調整、排序權值的合理計算和判斷矩陣的一
致性檢驗問題。常用的計算判斷矩陣排序權值的方法
有:①和積法;②列和求逆法;③行和正規化法;④特征
值法。其中,前3 種方法只考慮判斷矩陣單一行列的
影響,計算精度不高,常作為迭代初值。特征值法運用
范圍較廣,但沒有考慮到判斷矩陣一致性條件,所以當
判斷矩陣的一致性很差時,求解特征值就很困難,需要
反復地調整、檢驗[11] 。同時,專家在對風險各要素兩
兩比較的定性評價中采用極端的判斷,沒有體現客觀
世界各要素之間普遍存在的不確定性和模糊性。
2. 2 模糊層次分析法
針對前述問題,本文對傳統層次分析法進行了改
進,引入模糊數學概念,與層次分析法相結合,形成模
糊層次分析法。該方法采用專家模糊評判的方式構造
模糊互補矩陣,并對矩陣進行一致化處理,構造模糊一
致判斷矩陣,對各要素的相對重要性進行排序。該方
法解決了判斷矩陣的一致性問題。
2. 2. 1 模糊一致判斷矩陣
定義1 若模糊矩陣R=(rij )n×n滿足條件rij +rji =1,
i,j =1,2,…,n,則稱模糊矩陣R 為模糊互補判斷矩陣。
定義2 若模糊互補矩陣R =(rij )n×n滿足條件rij =
rik -rjk +0. 5,i,j,k = 1,2,…,n,則稱R 為模糊一致判斷
矩陣。
專家的模糊判斷所構造的判斷矩陣是模糊互補判
斷矩陣R =(rij )n×n ,對模糊互補判斷矩陣R =(rij )n×n按
行求和記為ri 。按公式fij =ri -rj
2n +0. 5,對其實施數學變
換,由此建立模糊一致判斷矩陣RM =(fij )n×n 。
在模糊一致判斷矩陣中,fij是元素i 與j 相對重要
性的度量,且fij越大,元素i 比j 越重要。矩陣優先關
系數量標度如表1 所示。
表1 矩陣優先關系數量標度方法
Tab. 1 Quantitative scaling methods of matrix
precedence relation
標度含義
0. 5<1>

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