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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡安全技術(shù)與挑戰(zhàn)分析

2024-06-27 12:23:12趙申陳魏魏劉振
信息系統(tǒng)工程 2024年6期
關(guān)鍵詞:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)安全防護

趙申 陳魏魏 劉振

摘要:分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下網(wǎng)絡安全技術(shù),并提出具體的應對挑戰(zhàn)的策略。介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展進程,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)與信息技術(shù)(IT)的融合,將傳感器、設備、網(wǎng)絡和系統(tǒng)連接在一起,增加了網(wǎng)絡攻擊的目標和安全隱患。從技術(shù)角度入手,探討區(qū)塊鏈技術(shù)、5G技術(shù)、人工智能技術(shù)等安全技術(shù)在安全防護領(lǐng)域的具體應用。未來應提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全等級,配置更有效的安全網(wǎng)絡,應對技術(shù)挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);安全防護;區(qū)塊鏈技術(shù);安全管理

一、前言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及各種各樣的硬件設備、傳感器、控制器等,這些設備通常具有不同的操作系統(tǒng)和軟件,對實時性和可靠性有高要求,現(xiàn)有的安全防護網(wǎng)絡很難同時兼顧工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的效率要求和安全要求[1]。與傳統(tǒng)的信息技術(shù)網(wǎng)絡相比,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域尚沒有完全統(tǒng)一的安全標準和規(guī)范,導致了安全技術(shù)和解決方案的多樣性和不一致性,也增加了網(wǎng)絡安全領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)。只有綜合現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ),在滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)使用需求的基礎(chǔ)之上,不斷對安全防護手段進行升級,才能真正形成有效的防護。

二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展及其在安全領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

(一)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程

我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)雖然起步稍晚,但是進展較快,目前在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的框架標準、安全國際合作等方面已經(jīng)基本達到與發(fā)達國家同步的水平。2016年,工信部發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0,聯(lián)合各頭部單位對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系進行了系統(tǒng)性的規(guī)劃和設計。2019年發(fā)布了2.0版本,2021年發(fā)布了3.0版本,伴隨著技術(shù)的不斷升級、標準化框架的不斷更新,我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系逐步走向完善。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目前可以概括為網(wǎng)絡體系構(gòu)建、平臺體系構(gòu)建、安全體系構(gòu)建和應用體系構(gòu)建。其中,安全體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用保障,尤其是在當前國際形勢復雜化的背景之下,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信息安全被各個層面普遍重視[2]。國家先后發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全標準體系》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺安全防護要求》等系統(tǒng)規(guī)定,并在數(shù)字控制、商用密碼、平臺架構(gòu)、數(shù)據(jù)使用等領(lǐng)域編制安全管理細則,提高管理的針對性和有效性,為技術(shù)的使用提供依據(jù)和支撐。

(二)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的安全挑戰(zhàn)

1.工業(yè)領(lǐng)域軟件硬件自主研發(fā)程度不足

目前相較于西方發(fā)達國家,我國在科技領(lǐng)域軟件硬件的研發(fā)上仍然處于相對落后的狀態(tài),尤其是與安全防護有關(guān)的精密技術(shù)和先進設備仍然不足,難以支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集安全管理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)優(yōu)化,不僅制約了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用,也留下了明顯的安全隱患。目前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所使用的軟硬件仍有很大部分是應用國際已有軟硬件進行二次開發(fā),缺乏核心專利和核心技術(shù),國內(nèi)企業(yè)僅有少數(shù)龍頭愿意投入大量資金進行技術(shù)研發(fā),大部分企業(yè)主要是使用已有的成果,并不愿意積極投入資本進行研發(fā),在市場當中缺乏相關(guān)的投資環(huán)境。

由于核心技術(shù)的缺失,當前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的自主發(fā)展受到了不同程度的限制,威脅了互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全。從操作系統(tǒng)層面上來看,國內(nèi)的工業(yè)設備大多數(shù)是使用微軟系統(tǒng)、Unix系統(tǒng)以及Linux作為基礎(chǔ)操作系統(tǒng),這些系統(tǒng)的核心技術(shù)均屬于國外企業(yè),存在不同程度的安全風險。從部署情況來看,大多數(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署均要應用到物聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)和移動網(wǎng)絡,再加上操作系統(tǒng)等核心技術(shù)屬于國外的先天不足,當前的安全防護難度較大,整體成本也較高,總體形勢不容樂觀[3]。

2.工業(yè)園區(qū)云設施發(fā)展程度參差不齊

當前我國大部分的工廠實際上信息化程度仍然不高,據(jù)2023年企業(yè)設備數(shù)字化率和數(shù)字化設備聯(lián)網(wǎng)率統(tǒng)計結(jié)果來看,這兩項數(shù)據(jù)分別為52%和49%。然而,在向數(shù)字安全等方向構(gòu)建的過程中,不僅會需要大量的資金,同時也需要充足的人力和設備資源,這使得很多工廠在成本方面難以承受。企業(yè)對于信息安全化的途徑雖然有熱情,但是由于缺乏安全建設、運維的權(quán)威標準,企業(yè)對信息化投資安全較為擔憂。還有一些企業(yè)盲目地投入到了信息安全化的建設當中,但是沒有起到較好的實際效果,不僅增加了管理成本、浪費了資金,也使整個環(huán)境陷入了一種謹慎觀望的態(tài)勢,同時從工業(yè)園區(qū)云設施的發(fā)展情況來看,構(gòu)建園區(qū)云是智慧園區(qū)發(fā)展的整體趨勢,也是加強網(wǎng)絡防護的重要物質(zhì)基礎(chǔ),但是當前工業(yè)園區(qū)云的建設也涉及一系列的投資主體問題、安全技術(shù)問題、標準化建設問題以及企業(yè)參與程度不高的問題[4]。

目前,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺缺少統(tǒng)一的管理,很多地區(qū)并沒有建立起統(tǒng)一的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)。國內(nèi)有影響力的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺已經(jīng)超過150個,處于蓬勃發(fā)展的狀態(tài),但這些平臺分散發(fā)展,缺乏統(tǒng)一標準,缺乏共享機制,每一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實際上就相當于一個獨立的互聯(lián)網(wǎng)平臺,形成了信息的孤島。信息的孤島也是安全的孤島,各個平臺之間存在的信息壁壘和技術(shù)壁壘使得統(tǒng)一的安全監(jiān)管變得尤為困難。

三、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下網(wǎng)絡安全的技術(shù)發(fā)展方向

(一)加強軟件領(lǐng)域的自主技術(shù)研發(fā)

1.工業(yè)蜜罐技術(shù)的應用

工業(yè)蜜罐技術(shù)用于監(jiān)測和防御網(wǎng)絡攻擊,在工控系統(tǒng)或工業(yè)網(wǎng)絡中部署蜜罐設備,可以吸引攻擊者進入虛假的系統(tǒng)環(huán)境,提供假的攻擊目標,從而誘使攻擊者暴露其攻擊行為,幫助工業(yè)網(wǎng)絡管理員及時發(fā)現(xiàn)和應對攻擊,從而保護真實的工控系統(tǒng)和網(wǎng)絡安全。

Web Server和Workstation作為工業(yè)蜜罐系統(tǒng)的威脅管理系統(tǒng),能夠?qū)Ω兄獋鞲衅魃蟼鞯膬?nèi)容進行防護審計,并用于后續(xù)的工業(yè)系統(tǒng)升級,傳感器本身極具擴展性,能夠?qū)τ讷@得的仿真數(shù)據(jù)進行海量加工和處理,有效識別系統(tǒng)當中的各個干擾信息,把握攻擊流量,對攻擊行為展開實時分析。Media PC對這些可疑內(nèi)容進行分析,查找識別安全威脅,判斷出攻擊事件,并發(fā)出實時警告。工業(yè)蜜罐技術(shù)整體基于K8s+docker+VM等虛擬化技術(shù),結(jié)合SDN技術(shù),相關(guān)架構(gòu)能夠有效識別工業(yè)網(wǎng)絡當中的用戶特點,按照不同業(yè)務的網(wǎng)絡類型進行部署。在工業(yè)蜜罐的應用中,Kubernetes能夠掌控眾多的Docker實例,Docker的容器化技術(shù)供給了一種輕量化的虛擬環(huán)境,讓工業(yè)蜜罐得以迅速搭建和克隆。這些建立的功能復制了工業(yè)自動化環(huán)境中的要素,例如PLC(程序化邏輯控制單元)、HMI(交互式操作界面)等。Docker的隔離特性和攜帶便捷性保障了誘餌系統(tǒng)的穩(wěn)固性與同質(zhì)性。模擬器技術(shù),例如VMware或Hyper-V能夠被應用于構(gòu)建更加精細的工業(yè)蜜罐。這類系統(tǒng)有能力仿真整個產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)。工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬環(huán)境提供了更高級別的獨立性,允許在不干擾主機系統(tǒng)的前提下執(zhí)行多種操作系統(tǒng)和應用軟件。結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(SDN)的技術(shù)手段,工業(yè)誘餌系統(tǒng)的網(wǎng)絡布局得以更為機動地實施設定與操控。SDN授權(quán)網(wǎng)絡管理員利用軟件來指揮網(wǎng)絡的活動涵蓋數(shù)據(jù)流向?qū)б⒎雷o規(guī)則以及網(wǎng)絡劃分。在工業(yè)蜜罐網(wǎng)絡布局中,軟件定義網(wǎng)絡(SDN)能夠以高度的不穩(wěn)定性重新配置數(shù)據(jù)流,誘導惡意數(shù)據(jù)流向虛假的目標,而此舉同時維護了實際產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡的防護完整性。在迷惑攻擊者的同時也能夠?qū)γ酃瞢@取的攻擊行為日志進行集中分析,為企業(yè)提供攻擊者畫像,方便進行溯源查找,形成攻擊報告和威脅情報共享[5]。

通過在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中設立蜜罐,可以吸引惡意軟件攻擊并收集有關(guān)惡意軟件的行為、特征和漏洞利用信息,用于惡意軟件的分析和正常軟件的漏洞修補,提高工業(yè)系統(tǒng)的安全性。蜜罐能夠?qū)崿F(xiàn)仿真分析,通過MySQL訪問,集成系統(tǒng)服務,在工業(yè)場景當中實現(xiàn)有效的遠程裝置交互,對工業(yè)系統(tǒng)進行靈活的調(diào)度和分析。當前的蜜罐防護系統(tǒng)一般開放102端口,配置St Louis修改,針對104仿真協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換,能夠?qū)Ω黜椩O備進行實時遙控、遙信等翻譯和記錄。蜜罐技術(shù)針對程序的仿真,主要是通過建立聯(lián)系、輸入寄存器、讀寫單個保存寄存器保障蜜罐的高仿真度和誘捕能力,能夠?qū)σ幌盗械墓暨M行自主定位,從而對熱點漏洞起到有效的防護作用。

2.數(shù)字孿生技術(shù)的應用

數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)學化的方式對物理實體進行還原形成虛擬數(shù)字的多重模型,該方法具有集成多尺度、多學科、多物理量的優(yōu)勢,能夠充分利用當前的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、物理模型運行技術(shù)、數(shù)據(jù)歷史追蹤技術(shù)實現(xiàn)全過程的仿真分析??偟膩砜?,這種方法是一種在線物理實體全生命周期運行狀態(tài)的模擬過程,具備良好的擴展性能,適用于多種理論體系和框架的分析,目前被一定程度上應用在航天航空產(chǎn)品設計和工程建設等領(lǐng)域。

該平臺應用的優(yōu)勢和關(guān)鍵點在于通過基礎(chǔ)工業(yè)數(shù)據(jù)庫和科學計算庫的聯(lián)合形成模擬計算平臺,發(fā)布模擬模塊對于仿真場景進行實時構(gòu)建和監(jiān)控,該系統(tǒng)通過推出可互換的模擬組件參與者得以迅速構(gòu)建出滿足其特殊要求的虛擬環(huán)境。這些情境適用于多種用途,例如提升工藝流程、排查故障、進行安全鑒定等。該系統(tǒng)還配備了一系列綜合監(jiān)測設備,使得使用者能夠即時監(jiān)控并審視模擬環(huán)境的執(zhí)行狀況,從而迅速識別任何潛在的障礙并作出相應的改正。該系統(tǒng)亦展現(xiàn)出極高的擴展性與攜帶性。依托于容器技術(shù)與虛擬化手段,該系統(tǒng)在多樣的計算生態(tài)中得到應用,涵蓋且不限于實體服務器、云端服務器、邊際計算裝置等,導致了模擬計算環(huán)境得以靈活配置及擴充以便適應工業(yè)需求的持續(xù)變化。在防護性質(zhì)上,此系統(tǒng)實施了眾多保障手段,也配備了高效的日志追蹤與審查能力,有助于使用者追溯并評估可能存在的安保風險,提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應急響應能力,一旦系統(tǒng)當中出現(xiàn)異常攻擊,就可以快速定位和診斷并跟進解決,從而提高工業(yè)企業(yè)應對突發(fā)狀況的能力,防止安全事件的危害進一步擴大,同時這種優(yōu)化算法的平臺還能夠有效彌補人工干預的不足,避免問題匯報出錯,減少費時費力的數(shù)據(jù)生成。完善的技術(shù)應用還能夠?qū)崿F(xiàn)自動化檢測和安全漏洞的排除,進一步加快工作流程,提高生產(chǎn)效率。

3.區(qū)塊鏈技術(shù)的有效應用

區(qū)塊鏈技術(shù)本身就具備分布式數(shù)據(jù)存儲的特點,在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡當中能夠?qū)崿F(xiàn)點對點數(shù)據(jù)傳輸,保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當中參與的工業(yè)企業(yè)能夠利用區(qū)塊鏈技術(shù)達成共識,同時在數(shù)據(jù)傳輸方面利用加密算法以及創(chuàng)新的應用模式,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明管理和去中心化管理,這種傳輸?shù)男畔⒉豢杀淮鄹?,能夠集體進行維護,在現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境之下,安全、高效、可信度高,能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)與機構(gòu)、人與人、設備與設備之間的協(xié)同管理,從而降低安全風險。區(qū)塊鏈技術(shù)符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場景需求,能夠為構(gòu)建數(shù)據(jù)網(wǎng)絡資源優(yōu)化業(yè)務流程,提高協(xié)同效率,提供有效的自由流轉(zhuǎn)和精準分析。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要了解生產(chǎn)全要素,實現(xiàn)協(xié)同制造,就需要依托技術(shù)的升級,利用區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡技術(shù)和共識機制,進一步提高網(wǎng)絡構(gòu)建的安全性。除此之外,區(qū)塊鏈技術(shù)的應用還有助于搶占新一代信息技術(shù)的主導權(quán),是我國與發(fā)達國家在網(wǎng)絡安全方面進行競爭,搶占戰(zhàn)略制高點的一個競爭追逐期。區(qū)塊鏈技術(shù)的應用有助于打造自主先進的技術(shù)體系,實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新,為安全注入新動能,是在西方軟件、硬件形成規(guī)模應用優(yōu)勢的基礎(chǔ)之下,實現(xiàn)安全突破的一個重要嘗試。區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一種在不可信網(wǎng)絡中進行信息與價值傳遞交換的可信通道,因此,也是在現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境背景之下解決安全問題較為重要的嘗試和思路[6]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)當中的Iass層和Pass層,需要通過區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)包傳輸安全協(xié)議(DTLS)進行保護。該技術(shù)方法可以突破多路廣播限制,向客戶端口負責,通過加密和簽名格式對數(shù)據(jù)進行傳輸,還能夠利用共享數(shù)據(jù)模型,將物聯(lián)網(wǎng)設備上傳的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈共享中心當中,解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信任難題。在通用動力設備、高耗能設備等設備管理場景之下,區(qū)塊鏈技術(shù)提供的主動網(wǎng)絡測量方法,可以實現(xiàn)對資源的主動對接,基于雙向主動測量協(xié)議(TWAMP)避免額外流量對于當前通信造成的影響。

Composer模塊化架構(gòu)用于構(gòu)建和管理區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的應用程序,提供了一種簡化區(qū)塊鏈開發(fā)過程的方式,使開發(fā)人員能夠快速構(gòu)建和部署智能合約和區(qū)塊鏈解決方案。允許開發(fā)人員使用特定的編程語言,如Solidity編寫智能合約。這些智能合約可以實現(xiàn)資產(chǎn)轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)查詢和交易驗證等功能?;谶@種訪問架構(gòu),管理人員可以實現(xiàn)文件集分析、控制語言查找以及通信的有效控制。在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集合當中,參與者、資產(chǎn)、事件可以統(tǒng)籌在一起,對于model模塊的運行進行設置。參與者在了解終端設備數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上,可以通過智能合約和控制文件訪問管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當中的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。事物的提交表示區(qū)塊鏈的預先定義條件處于被更改的狀態(tài),在區(qū)塊鏈技術(shù)之下,事件是系統(tǒng)中參與者所觸發(fā)的行為。訪問控制語言定義了訪問控制的策略,通過ACL模塊展現(xiàn)了不同事務的處理集合以及滿足的條件,在獲得相關(guān)的許可之后,將自動調(diào)用事務處理函數(shù)完成對于查詢策略的修改。ACL模塊通常由不同的集合來定義參與者集合、資源集合、行為集合、條件集合和操作集合,在 mode文件當中對不同的數(shù)據(jù)行為創(chuàng)建讀取、更新、刪除,形成一個crud模塊對于訪問角色進行核心控制,同時事務處理函數(shù)也是JavaScript文件的一部分,可以利用終端設備的有效管理,管理員使用自己的數(shù)字簽證對文件設置的情況進行簽名,做好數(shù)據(jù)的標記和識別,分配到區(qū)塊鏈中各個peer節(jié)點[7]。

(二)加強工業(yè)園區(qū)云建設與云管理

在工業(yè)園區(qū)云建設和云管理方面,需要進一步推進強基計劃,引導企業(yè)加強核心技術(shù)的研發(fā),尤其是加強基礎(chǔ)科學教育,形成產(chǎn)學研一體化的基地建設格局。在當前越來越激烈的全球化背景之下,夯實基礎(chǔ)學科教育是解決數(shù)字安全問題的關(guān)鍵。我國在2020年開展強基計劃,全國已經(jīng)有39家試點高校參與,在此基礎(chǔ)上,數(shù)百個產(chǎn)業(yè)園區(qū)加入其中,未來還應該持續(xù)鼓勵這些企業(yè)進行關(guān)鍵核心網(wǎng)絡技術(shù)的研發(fā),引導企業(yè)進入到強基計劃當中,培養(yǎng)出專業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)安全管理人才。同時,國家還需要制定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度的發(fā)展指引,使得工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的受益方能夠不斷擴大。政府和行業(yè)協(xié)會牽頭,制定成熟的發(fā)展指引,使得企業(yè)能夠進入到良性發(fā)展循環(huán)當中,避免盲目激進式的轉(zhuǎn)變。

四、結(jié)語

綜上所述,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境之下,網(wǎng)絡安全技術(shù)受到了諸多的挑戰(zhàn),尤其是通信協(xié)議挑戰(zhàn)、基礎(chǔ)物理層面的挑戰(zhàn),未來要想應對這些挑戰(zhàn),就需要進一步推進強基計劃,引導企業(yè)加強核心技術(shù)的研發(fā),并且在通信協(xié)議層面建立完善的架構(gòu),提升成熟度。政府出面牽頭建設統(tǒng)一運營管理平臺,加強云園區(qū)的管理和云計算的落實,通過區(qū)塊鏈技術(shù)、蜜罐技術(shù)等一系列網(wǎng)絡安全技術(shù)的具體應用,實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的管理升級。

參考文獻

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作者單位:上海電氣集團數(shù)字科技有限公司

■ 責任編輯:王穎振、鄭凱津

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