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袁曉舒，桑梓 中國東方電氣集團有限公司中央研究院

王東 北京啟明星辰信息安全技術有限公司

1　概述

電力行業作為國家關鍵基礎設施，控制系統的網絡安全關系到國民經濟的正常運行，因而非常重要。國家對電力行業的網絡安全非常重視，在網絡安全等級保護的基礎上，《電力監控系統安全防護規定》、《電力監控系統安全防護總體方案》對電力行業的網絡安全工作提出了具體的要求[1]。

遵照“縱向加密、橫向隔離”的原則，電力監控系統的邊界防護已經較為完善，進一步增強控制系統內部的安全防護，找出控制系統內部存在的網絡安全漏洞并進行修補應成為未來的一項重點工作。該項工作對研究平臺、研究人員和研究資金的投入要求較高，因此這方面研究開發工作的進展和用戶的需求還有很大距離。中國東方電氣集團有限公司中央研究院從自身業務需求出發，結合電網行業的實際需要，在過去幾年對電站和電網控制系統的網絡安全漏洞進行了初步的研究，對發現電力監控系統網絡安全未知漏洞后的處理進行了初步的探索。

2　電站控制系統網絡安全漏洞研究

2.1　火電控制系統網絡安全漏洞

火力發電目前是我國的主要電力來源，通過對火電控制系統的網絡安全漏洞研究發現，火電控制系統的網絡安全脆弱性不容忽視。

火電控制系統一般是由協調控制系統（CCS）、模擬量控制系統（ M C S ） 、鍋爐安全監控系統（FSSS）、汽輪機數字電液調節系統（DEH）、汽輪機保護系統（TSS）、順序控制系統（SCS）、電氣控制系統（ECS）、旁路控制系統（BCS）、數據采集系統（DAS）等部分構成[2-3]。隨著電廠控制一體化技術的發展，新建電廠項目和已有電廠的改造項目逐漸采用集散控制系統（DCS）實現機、爐、電的一體化控制，以覆蓋CCS、SCS、DEH等系統所實現的功能[4-5]。部分項目進一步對控制系統和保護系統進行了一體化改造[6]。

DCS系統主要由過程級、操作級和管理級構成。過程級主要包括分布式控制器、過程儀表、執行機構、I/O單元等，操作級主要包括操作員站、工程師站、歷史站、控制服務器等，管理級主要包括生產管理系統等[7]。DCS最小系統如圖1所示。

圖1 DCS最小系統

DCS采用現場總線技術進行通信，對通信速率和實時性要求高。隨著以太網技術的發展，DCS逐漸采用工業以太網替代傳統的現場總線實現各個分布式控制器之間、控制器與操作站之間的實時通信，例如IEEE1588、Profinet、Ethernet/IP等。同時，計算機技術的發展助推了DCS操作站和控制器的更新換代。主流DCS系統的操作站多采用基于Windows的操作系統，分布式控制器多采用基于Vxworks或定制Linux的實時操作系統。DCS系統的組態軟件采用基于標準庫的常用編程語言實現，例如C、Java等。因此，基于DCS技術的火電控制系統可能存在諸多安全隱患。

通過對多個品牌的國內和國外火電控制系統進行漏洞掃描發現，除了我們已經熟知的控制系統操作員站存在大量已知網絡安全漏洞，如圖2所示，控制系統自身也存在不少已知網絡安全漏洞。

圖2 DCS操作站漏洞統計

除了已知網絡安全漏洞，火電控制系統還普遍存在未知網絡安全漏洞，如：弱口令漏洞、拒絕服務漏洞、訪問控制漏洞、溢出漏洞等。這些漏洞大多沒有被公布到CVE、CNVD、CNNVD等漏洞庫成為已知漏洞，因而也就沒有漏洞修補方案和對應的防范措施，很容易被惡意利用。

為驗證火電控制系統漏洞的危害，在實驗室環境中，我們以某火電廠汽輪機組實際控制系統、控制邏輯、汽輪機數學模型搭建了火電汽輪機組的控制系統仿真測試平臺，利用該控制系統的一個未知網絡安全漏洞對汽輪機電液調速系統進行了攻擊。攻擊導致汽輪機飛車，但由于控制系統被攻擊，監控界面上一切正常，如圖3所示。

圖3 網絡攻擊導致汽輪機飛車事故的仿真測試

2.2　風電控制系統網絡安全漏洞

隨著新能源發電在電力系統中占比的增加，風電控制系統的網絡安全漏洞正在成為電力系統新的網絡安全風險來源。

風電控制系統的結構較為簡單，主要包括就地控制站和SCADA系統，其中，就地控制站包含主控制器、變槳控制器、變流器等部件[8-10]。不同于火電控制系統的分布式控制方法，風電控制系統常常采用集中式控制方法，以可編程邏輯控制器PLC作為控制系統的主體，在集控室以少量操作站搭載SCADA系統作為遠程監控手段，實現風力發電機組的監視和控制功能[11]。

借助計算機技術和嵌入式技術的發展，PLC的硬件架構逐步向Intel x86和ARM架構靠攏，操作系統也逐漸統一成Vxworks、Linux、WinCE等主流操作系統[12]。同時，SCADA系統的軟件平臺亦逐漸統一為基于Windows或Linux商業發布版本的操作系統。因此，風電控制系統的網絡安全問題日益嚴重。

通過對主流風電控制系統產品的研究發現，風電控制系統也存在弱口令漏洞、拒絕服務漏洞、訪問控制漏洞、溢出漏洞等網絡安全漏洞，由于某些風電控制系統和風電SCADA還采用了B/S架構，因此還存在一些B/S系統自身的網絡安全風險。從CVE、CNVD、CNNVD查詢結果看，風電控制系統的主流產品公開的網絡安全漏洞不多，而從我們的實際研究中可以發現，風電控制系統中存在的大量未知網絡安全漏洞，這些漏洞能夠造成諸如風機停轉等多種安全事故。

為驗證風電控制系統漏洞的危害，在實驗室環境中，我們以某風電廠風力發電機實際控制系統、控制邏輯、風力發電機數學模型搭建了風電控制系統仿真測試平臺，利用該控制系統的一個未知網絡安全漏洞對風力發電機主控進行了攻擊。攻擊可以造成風力發電機立即不受控制的停止運轉，如圖4所示。

圖4 正常運行的風機不受控停機

2.3　智能變電站控制系統網絡安全漏洞

除了發電廠控制系統存在網絡安全漏洞，電網控制系統同樣存在網絡安全漏洞。以智能變電站為例，基于IEC61850協議的通信系統、控制保護設備、SCADA系統均存在網絡安全隱患。

智能變電站為典型的“三層兩網”結構：站控層、間隔層、過程層，站控層網絡、過程層網絡[13-14]。過程層的設備是直接面向電力系統的一次設備，主要是智能終端和合并單元，部署在一次設備旁。過程層設備主要采用IEC61850 Goose和SV協議與間隔層設備進行數據通信。間隔層設備主要包括測控裝置、保護裝置、故障錄波設備、網絡報文分析設備。站控層包括時間同步系統、監控站和遠動測控站。站控層與間隔層設備之間通過基于TCP/IP的IEC61850 MMS協議進行數據通信。

智能變電站控制系統自身存在的信息安全漏洞是控制系統信息安全脆弱性的主要來源，這些漏洞主要針對間隔層和過程層的各類設備和終端，包括嵌入式操作系統漏洞、嵌入式應用軟件漏洞等。研究表明，智能變電站控制系統存在的未知網絡安全漏洞可以被利用進行攻擊，攻擊可以造成刀閘不受控的開閉，對電網的穩定運行造成很大危害，如圖5所示。

圖5 智能變電站刀閘分合閘不受控

2.4　電力監控系統網絡安全漏洞挖掘方法

電力監控系統的網絡安全漏洞挖掘可以分為基于終端軟件分析的漏洞挖掘和基于協議測試的漏洞挖掘等。終端軟件包括各種業務軟件，比如SCADA、HMI、組態軟件等，也包括基礎軟件，比如SSH、Telnet、FTP、HTTP等，還包括實時操作系統，比如Vxworks、定制Linux等。針對SCADA、HMI等直接運行在Windows或Linux類通用操作系統的上位機程序，除了滲透測試，通常還采用行為分析和動態調試方法進行漏洞挖掘。針對電力工控設備中內嵌的實時操作系統和軟件，通常采用靜態反匯編和程序分析等方法進行漏洞挖掘。

電力監控系統的協議包括工控專用協議和工業以太網中的通用協議，采用模糊測試方法能夠實現對電力工控設備網絡協議的自動化漏洞挖掘。模糊測試在通用協議測試中已經有成熟的應用，比如SPIKE、PEACH，能直接用于對工業以太網中的通用協議進行漏洞挖掘。針對專用協議，需要根據圖6所示的模糊測試測準框架對現有應用進行改造，以適應電力工控協議的規范和工控設備的特性。

圖6 模糊測試標準框架

針對某電力系統控制設備，我們基于終端軟件分析和協議模糊測試，發現了多個未知漏洞。利用這些漏洞，攻擊者可以完全地控制設備，造成嚴重后果。

3　電力監控系統網絡安全漏洞處理

未知網絡安全漏洞的發現只是開始，完成漏洞的修補才是終點。從實踐中我們發現，當前的工業控制系統網絡安全漏洞發現、上報、通知、響應、修補的全流程工作還有待進一步完善。

目前，在發現電力監控系統的網絡安全問題后，一般的處理流程是上報漏洞平臺，有的漏洞平臺在收到通報后會通知廠商進行處理，在廠商推出補丁后進行公布，有的漏洞平臺只收集整理上報的漏洞信息，并不跟蹤廠商對漏洞的修補。同時我集團以通報的形式下發到使用該控制系統的相關集團內企業，這些企業會聯系控制系統的生產廠商，在得到控制系統廠商的修補補丁后，由企業完成測試和最終用戶如發電企業的設備補丁升級，從實踐的情況看，由企業聯系控制系統廠商得到反饋和修補補丁的速度會快于漏洞平臺。

這樣的處理流程還存在著一些不足：

（1）電力監控系統關鍵設備使用的控制系統出現的未知網絡安全漏洞是否應報送給國外漏洞平臺存在爭論；

（2）電力監控系統系統關鍵設備使用的控制系統出現的未知網絡安全漏洞報送國內漏洞平臺后的處理速度較慢，處理流程尚未形成完全的閉環；

（3）一般網絡安全研究人員發現電力監控系統關鍵設備使用的控制系統未知網絡安全漏洞在處理流程中，難以讓電力監控系統供應鏈中的企業及時得到信息；

（4）現有的處理流程中，電力監控系統供應鏈中的各個角色還沒有完全進入到處理流程中，這使得處理流程沒有完全形成閉環。

4　結語

電力監控系統的網絡安全是電力行業安全穩定運行的關鍵，是國家關鍵信息基礎設施網絡安全的重要組成部分。通過幾年發現、驗證、通報、修補電力監控系統未知信息安全漏洞的研究和實踐工作，我們認識到電力監控系統還存在未知信息安全漏洞等待我們去進一步發現和修補，這項工作還需要電力行業主管部門、生產企業、工程公司、用戶單位等都參與進來，進一步完善電力監控系統信息安全。

作者簡介

袁曉舒，研究員，碩士，中國自動化學會工控信息安全專委會委員，現就職于中國東方電氣集團有限公司中央研究院，負責工控信息安全實驗室，先后參與多個工控信息安全國家標準制定，擔任企業、省和國家多個工業控制系統信息安全科研項目負責人，目前專注于電力系統發電側的控制系統信息安全研究。

參考文獻：

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摘自《工業控制系統信息安全》專刊第四輯