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數控機床自動化網絡信息安全綜合防護方案

文檔作者：劉杰汪京培李丹云雷陳晶晶文檔來源： 1．中國賽寶實驗室信息安全研究中心 2．中國和平利用軍工技術協會		點擊數：	更新時間： 2021年06月02日
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第3期
2016年3月
組合機床與自動化加工技術
M odular M achine Tool&amp;amp; Autom atic M anufacturing Technique
No．3
Mar．2016
文章編號：1001—2265(2016)03—0082—04 DOI：10．13462／j．cnki．mnltalnt．2016．03．023
數控機床自動化網絡信息安全綜合防護方案術
劉 杰 ，汪京培 ，李
(1．中國賽寶實驗室信息安全研究中心，廣州
100088)
丹 ，云 雷 ，陳晶晶
510610；2．中國和平利用軍工技術協會，北京
摘要：為了解決數控機床聯網后的信息安全威脅，提出了一種數控網絡信息安全綜合防護方案。該
方案基于數控網絡系統架構，以事件生命周期為主線，采用可信安全防護技術、自治愈理論，融合基
礎數據和系統安全防護技術，形成數控機床自動化網絡安全綜合防護功能。對方案的功能、性能以
及基于數控系統的高級持續性威脅實例進行詳細分析，結果表明了所提方案的合理性和較好防護效
果。該方案的建立實現了數控網絡系統事前監控、事中檢測和自治愈、事后審計系統化的信息安全
防護。
關鍵詞：數控機床；數控系統；信息安全防護；可信；自治愈
中圖分類號：THI66：TH659 文獻標識碼：A
Integrated Information Security Protection M ethod in the Autom atic Network of CNC
LIU Jie ，WANG Jing—pei ，LI Dan ，YUN Lei ，CHEN Jing-jing
(1．Information Security Research Center，China CEPREI Laboratory，Guangzhou 510610．China：2．China
Associauon of Peaceful User of Military Industrial Technology，Beijing 1 00088。China)
Abstract：In order to solve the information security threats for the interconnected CNC，an inforillation secu—
rity integrated protection method for automatic network of CNC is studied in this PaDer．Based on the NC
network system architecture．this method takes the event lifecycle as the main line．adopts the trusted securi—
ty protection，self-healing theory，and integrates into basic data and system security protection technologies，
finally form s a comprehensive security protection for automation network of CNC． Detailed analysis from
functionality，performance，and an example of advanced persistent threats for NC system are performed，the
results validate the rationality and effectiveness of the proposed method．The integrated protection method re
alizes the systematic security protection covering the proactive monitoring，detection，self-healing，post au—
diting and evidence collecting for the network systems of CNC．
Key words：CNC ；NC system ；inform ation security protection；trusted；self-healing
0 引言
數控系統固有安全漏洞和聯網后的開放性，使其
面臨的信息安全威脅持續擴大。數控系統是數控機床
的“大腦”，高端數控系統核心技術基本被工業發達國
家壟斷，數控系統存在不可控的漏洞、后門等安全隱
患。同時針對控制系統的信息安全攻擊事件持續發
生 。數控系統一旦遭到破壞，將會導致數控機床乃
至整個生產線停機，造成企業重大損失。所以研究數
控機床信息安全防護理論與技術，對保障工業基礎設
施穩定運行具有重要意義。
美國能源部國家SCADA測試床計劃(NSTB)L2j發
布了防護控制系統路線圖。歐洲網絡與信息安全局
(ENSIA)制定的防護控制系統的指導文件也于201 1年
發布。國內王琦魁 提出一種數控加工網絡信息安全
防護方案，部署數控加工網絡邊界隔離設備和數控系統
終端防護設備，保障數控網絡安全。王劍 提出了DNC
數控網絡系統安全防護架構，部署防火墻在辦公局域網
和DNC數控網之問過濾數據，然而該方案對于內部信
息泄露缺乏有效的防護。于立業 提出工業控制系統
信息安全縱深防御解決方案，采用邊界隔離和入侵檢測
的訪問控制機制，缺乏系統化協同防護。
可信計算和自治愈被認為是解決控制系統本質安
全的重要方法。Fadul 將可信計算理論應用到智能
電網的SCADA系統安全防護中。伍江江 提出一種
基于虛擬隔離數據可信存儲體系來進行數據非授權防
護，魏占禎 提出了一種基于可逆向擴展的可信數據
封裝方案。目前可信網絡理論和技術的研究主要在普
收稿日期：2015—12—16；修回日期：2016—02—03
基金項目：國防基礎科研計劃資助(JSQB2014205AO05)
作者簡介：劉杰(1963一)，男，安徽泗縣人，中國賽寶實驗室信息安全研究中心研究員，研究領域為數控機床、信息安全與軟件可靠性測評，(E—
mail)liujie@ceprei．eom；通信作者：汪京培(1983一)，男，湖北嘉魚縣人，中國賽寶實驗室工程師，博士，研究方向為信息網絡安全，(E—
mail)wjpbupt@163．eom。

· 84· 組合機床與自動化加工技術 第3期
制，對數控系統核心數據進行保護，如圖4所示。
可信存儲 安全保護域
— — r_—— — — — 一
TPM I+ 卜匾垂
1可信接口
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． — — I h
● —．H 預測策略 1三二二二 曩售h厘
一i安全保護域 ／f f
砸溺 一l 管理器
一 要
圖4可信數據防護機制
在控制網總線上動態構建類似于VPN的通信隔
離環境來保證設備控制數據不被泄漏。結合可信計算
和虛擬化技術，在DNC數控網絡上構建虛擬機系統，
建立敏感數據安全保護域(SPD，Secure Protection Do—
main)，通過將敏感數據綁定在安全域內，根據數據的
保護預期對DNC數據訪問請求進行安全驗證和策略
控制，阻止不可信進程對數據的讀寫操作和傳遞到不
可信區域，從而實現數據防泄漏功能。對不可信的進
程傳遞給惡意代碼檢測服務器，查驗惡意入侵行為。
可信虛擬數據防護機制主要用于事前監控、安全隔離，
事中入侵檢測，事后審計查驗。
第三，在辦公網絡上部署可信網絡服務器。動態
運行中，可信節點具有一定的智能性，其可信與行為動
作相關，信任理論就是解決行為可信的有效方法，根據
節點歷史表現確定可信值，大于可信閾值的節點才能
參與服務，從而隔離惡意節點。可信網絡主要用于事
中檢測，結合入侵防御、惡意代碼防御，為審計提供證
據。基于上述三個方面，建立數控系統可信防護模型。
配合傳統數據防護和系統防護技術，實現數控系統數
據安全和系統安全。
2．3 數據和系統安全防護
基礎數據安全防護技術主要包括傳統的數據隔離
技術(如訪問控制、防火墻等)，數據防泄露技術、數據
安全存儲技術。數據隔離設備部署在數控系統外部接
口網絡、接入網總線、控制網總線之間，作為基礎防護
手段，用于事前監控、事中檢測。
數據安全防護主要配合可信數據防護機制，對運行
的數據，設置移動設備數據控制功能，存儲在移動設備
上。一旦接入系統或遭遇不正常訪問，主動接通數據訪
問監控服務器，啟動訪問控制機制。DNC數據服務器中
的敏感數據配合信息保護域管理器進行安全存儲。
系統運行基礎防護技術主要包括協議檢測、入侵
檢測、惡意代碼檢測。
系統安全防護主要配合可信防護和自治愈機制。
在辦公網和DNC數控網絡部署入侵檢測／防御系統。
對系統運行狀態實時監控，對專用工業通信協議進行分
析，發掘入侵線索，用于事后審計。可信防護予以拒絕
的進程，由入侵檢測系統予以判斷，做出防御響應。同
時收集惡意攻擊證據，用于事后審計。在攻擊威脅影響
到數控機床的可用性時，啟動自治愈容錯恢復機制。
2．4 自治愈容錯
自治愈機制的原理是在攻擊發生的情況下，系統
通過接受風險、反饋調整，使系統處于健康工作范圍
內，從而實現對攻擊的免疫性。
在數控機床網絡接口與交換系統上建立自治愈管
理器。通過監測系統運行狀態和行為來判斷系統的改
變是否在可接受范圍，進而執行相應的策略。檢測數
控系統異常運行行為，監測采集到的值抽象化，與數控
系統功能屬性(如可用性)關聯，根據數控系統各個部
件的約束評估值，推理確定數控系統是否運行在可接
受范圍內，超出某個部件／網絡的閾值時，進行系統異
常預警。同時，啟動自治愈響應機制，根據當前系統狀
態需要達到的目標生成防御恢復策略和推理演化機
制，通過恢復機制對違反系統約束的情況進行恢復，并
反饋作用到運行系統上。
容錯恢復主要是保障系統發生災難時仍能繼續提
供服務的能力，或是能夠快速恢復被攻擊系統到正常
狀況。冗余技術是最基本的容錯恢復技術，在數控機
床網絡適量部署冗余機床，在數控機床網絡接口和交
換網上部署軟件冗余模塊。同時啟動自檢技術，找到
故障位置，屏蔽或隔離故障部件。系統改變和故障定
位的過程信息以日志的形式記錄，存儲在審計服務器
中，以備必要時審計。
2．5 綜合防護機制
將前述分步建立的模型依次融合到數控系統事件
生命周期中。主要將可信防護技術融入到事前實時監
控中，實現可信訪問控制；將自治愈機制融合到事后容
錯恢復中；將數據安全防護技術與可信機制結合，保護
事件周期中的數據安全；將系統安全技術融合到事中
檢測，配合可信機制，進行事后取證審計。
3 數控系統安全綜合防護方案分析
3．1 防護方案功能分析
所提方案可針對如下幾種攻擊的應對。
惡意代碼攻擊：利用數控網絡系統的硬件、軟件、
協議漏洞進行惡意代碼攻擊。在綜合防護體系中，部
署在外網和內網惡意代碼檢測機制可檢測惡意攻擊，
可信訪問監控可發現通過移動存儲設備的入侵，可信
虛擬防護域基于完整性的訪問控制需求可阻斷惡意代
碼攻擊，并預警或啟動自治愈修復。
未授權訪問：首先由安全隔離設備進行初步隔離，可
信數據防護機制進行拒絕訪問操作，并提交審計服務器。
信息泄露：主要是內部網絡信息泄露，可依靠可信
數據隔離環境、敏感數據安全保護域、對數據讀寫的認
證來防護。根據操作日志，進行審計。
拒絕服務攻擊：主要針對DNC數控網絡中的系統
服務器、DNC傳輸服務器、接口交換機進行攻擊，使之不
能正常工作或緩沖區溢出。綜合防護方案中主要通過
協議檢測監控訪問流量，通過可信計算平臺阻止非可信
訪問請求。一旦數控機床出現故障，啟動自治愈機制中
的冗余機制，保證可用性，同時利用自檢機制恢復故障。
防護方案協同性：當面臨各種攻擊時，綜合利用可
信防護、數據和系統基礎防護、自治愈防護，協同防護
數控系統。
(1)防護方案的時間協同。可信防護用于事前監
2016年3月 劉 杰，等：數控機床自動化網絡信息安全綜合防護方案 ·85·
控，實現可信訪問控制；自治愈機制用于事后容錯恢
復；基礎數據安全防護配合可信數據防護，用于事中主
動數據訪問控制；基礎系統安全防護配合可信防護，對
可信防護拒絕進程進行入侵檢測，收集攻擊證據，用于
事后審計。在攻擊威脅到數控系統可用性時，啟動自
治愈容錯恢復機制。
(2)防護方案的空間協同。所提方案充分利用數
控網絡架構不同資源屬性來部署防護技術，數控機床
網絡實時性要求高，采用可信虛擬域隔離機制防止非
授權訪問，并把針對數控機床的入侵防護機制部署在
數控網絡中。一旦突破所有防護措施，啟動自治愈機
制，隔離修復受損設備。在DNC數控網絡中，部署可
信平臺、人侵防御監控平臺，確保核心控制系統安全
性。在辦公網中部署復雜可信網絡、入侵檢測、惡意代
碼檢測等措施，確保外圍網絡可靠性。
3．2 防護方案性能分析
所提防護方案相對典型的縱深防御方案 ，主要
增加了可信防護模塊(T)、自治愈模塊(S)、與IPS、惡
意代碼檢測模塊的接口機制(，)，其時間復雜度分別為
，(t( )) t(s)) t( )) 是時間函數，事前監控階
段主要是可信防護模塊的持續監控，所提防護方案
(P)的時間復雜度為 ￡(P))= ( ))=O(n)， 為
可信模塊部署數量。事中檢測階段包括可信防護檢
測、數據和系統防護檢測、自治愈恢復。可信網絡計算
的復雜度為0(n )，／'b 為傳輸節點數，可信數據防護
機制的事件復雜度為D(／／,)+o(1)，O(1)為偶爾的外
部移動設備訪問監控時間，自治愈恢復為O(1)，數據
和系統防護的復雜度為O(n)，因此事中檢測階段f(t
(P))=．廠( (T))+ ￡(S))+，(￡(，))= 0(n )+
20(rt)+20(1)。事后審計取證階段的時間復雜度為
0(1)。空間復雜度主要是增加了可信管理服務器、自
治愈管理服務器以及相應數據存儲服務器，空間復雜
度為30( )。
3．3 對比分析
相對于王琦魁等所提出數控加工網絡防護方案
(簡稱王方案)，本文所提方案增加了可信防護、自治愈、
以及系統協同防護模塊。王方案主要采用加工網絡邊
界隔離設備和終端防護設備，配合審計和防護協議保護
數控系統。在抗攻擊方面，王方案針對外部攻擊具有較
好效果，但對惡意內部泄露攻擊防護較弱；在效率方面，
王方案通信內容深度檢查、細粒度訪問控制、主機入侵
防御都需要模式匹配和計算，時間復雜度介于0(n)和
D(n )之間，n為計算實體數量。在防護效果方面，現場
設備的深度檢查會降低可用性，對完整性破壞的防護措
施沒有提及，對安全攻擊處置較為滯后。
相對于Fadul提出智能電網可信防護方案 ，本
文所提方案更為全面。Fadul方案利用基于信譽的信
任管理系統來緩和針對未來智能電網設施脆弱性的攻
擊，可信系統部署在智能電網通信支持防護系統中。
在抗攻擊方面，Fadul方案由于信譽的反饋延時，抗突
發攻擊能力較弱。在效率方面，信譽計算和信任管理
需要多域的網絡社區參與迭代計算，時間復雜度接近
D(n )，空間復雜度為mn，m為實體歷史向量長度，n
為實體數量。在防護效果方面，基于信譽的惡意攻擊
免疫機制和通信帶寬合理分配機制，使得具有較好的
安全性，適宜的可用性，但完整性防護欠缺。
以上分析結果列于表1中，防護效果用三個級別的
屬性值表示：“優”、“中”、“差”，“差”表示相應的屬性未
提及或效果較差。有一定效果，略顯不足為“中”。抗攻
擊效果分為2個狀態：可信和不可信。效率用時間復雜
度表示。表1所示結果為以本文方法作為當前標準的
相對性能，可以推測出本文所提方案的優越性。
表1 防護方案對比
3．4 實例分析
以高級持續性威脅(Advanced Persistent Threat，
APT)攻擊為例，分析所提綜合防護方案的有效性。
APT 攻擊靈活組合多種新型攻擊方法，對目標長
時間滲透，在特定時刻實施攻擊。典型的針對數控系
統的APT攻擊過程分為5個階段。① 收集情報。利
用社會工程，搜集并鎖定特定的數控機床。②突破防
線。利用服務器漏洞、網站掛馬、釣魚軟件、移動客戶
端漏洞，攻人辦公網主機，獲取受害主機的權限。③建
立據點，橫向滲透。建立控制服務器到受害主機的信
道并獲取系統權限，橫向探測辦公網系統和DNC網絡
的結構和數據訪問規則，入侵更多主機，并規避被發
現。④ 攻擊DNC系統服務器。模擬正常節點，連接
DNC系統服務器和DNC傳輸服務器，利用服務器漏
洞，獲取系統代碼執行權限。⑤ 完成攻擊。修改或破
化控制數據，造成數控機床設備損壞或停機，并伴隨蹤
跡銷毀等撤退策略。
所提綜合防護方案的防護主要分為4個階段：
第一階段，攻擊辦公網絡主機。在辦公網部署的
防火墻、入侵檢測、惡意代碼檢測機制可阻斷部分入侵
行為；部署的可信網絡可根據節點長期歷史表現，隔離
不可信主機。并提交取證審計模塊。
第二階段，橫向滲透攻擊。辦公網內的滲透通過
上述人侵檢測和可信網絡隔離。針對DNC數控網絡
的滲透采用協議檢測、數據訪問監控、可信數據防護機
制來監控異常數據流，阻斷惡意節點對數控網內數據
信息讀寫和對控制信息的截獲，并預警。
第三階段，攻擊DNC系統服務器。在服務器上部
署的可信計算平臺通過完整性認證，拒絕惡意節點對
操作系統的非預期控制，并確定數據篡改，實時預警；
在DNC傳輸服務器上關聯的可信數據防護機制阻斷
惡意指令的傳輸，并提交惡意代碼檢測服務器進一步
檢測防御，進行取證審計。
第四階段，惡意行為繞過可信平臺，對設備進行攻
擊。啟動虛擬隔離機制，隔離受害數控機床，控制攻擊
范圍；啟動自治愈機制，通過無故障冗(下轉第89頁)
2016年3月 張彥龍，等：基于位置域頻率和相位辨識的永磁直線電機推力波動抑制技術研究 ·89·
運行時的噪聲影響，使得補償效果更好。
時間
(b)補償前后的速度曲線
圖7 補償前后的推力波動曲線和穩態速度波形
4 結論
針對推力波動對直驅伺服系統的影響，本文建立
了基于推力波動數學模型的前饋補償策略。首先將測
得的推力波動信號通過FFr提取信號中的特征頻率，
然后采用遺傳算法推力波動辨識出推力波動模型中的
參數，最后根據推力波動模型設計前饋控制器。通過
在一臺永磁同步直驅電機的實驗研究表明，該方法明
顯抑制了直線電機穩態速度波動。同時該方法實現過
程較為簡單，不需要額外的實驗設備和傳感器，前饋補
償器不復雜且運算量小，實時性強。
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(編輯李秀敏)
(上接第85頁)余機床持續提供服務；同時啟動自檢
技術，屏蔽或隔離故障部件，并及時修復和審計。從而
最大化消除APT攻擊的影響。
按照圖2的基本結構搭建模擬環境，部署防護方
案，模擬APT 攻擊方式，配合各種滲透技術，入侵到
DNC數控網絡20次，以讀取和破壞DNC控制文件為
攻擊目標。實驗結果顯示攻擊都被有效阻斷，第一階
段攻擊阻斷概率(阻斷的攻擊次數占比總攻擊次數)
為40％ ，第二階段檢測概率為30％ ，最后30％ 都在第
三階段被阻斷。
綜上所述，所提出的綜合防護方案對APT 攻擊具
有較好的防護效果。
4 結論
本文提出了一種數控機床自動化網絡系統安全綜
合防護方案，有效解決了數控機床信息安全防護難題，
相對于以往的方案具有更好的協同性和有效性。該方
案可形成完整的過程防護，并自成體系，對APT 有較
好的防護效果。由于可信防護技術和自治愈的本質安
全特點，該方案可部署在異構混雜的數控系統中。
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一∞ 蹦

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