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本文為儀綜所安全一體化技術(shù)分享系列文章第2篇，預(yù)計(jì)共四篇，第1篇見(jiàn)【技術(shù)分享】信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）面臨的安全挑戰(zhàn)與解決思路。

摘  要

針對(duì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（Cyber-Physical Production System，CPPS）面臨的安全挑戰(zhàn)，本文以功能安全理論和工業(yè)信息安全理論為基礎(chǔ)，結(jié)合CPPS的架構(gòu)層級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)演化規(guī)律，闡述了CPPS安全一體化的概念內(nèi)涵和特征、兩種跨域傳播風(fēng)險(xiǎn)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并分析了安全一體化技術(shù)框架的要點(diǎn)，以期為研究者開(kāi)展安全一體化領(lǐng)域的共性方法、關(guān)鍵技術(shù)研究提供有益參考。

1. CPPS視角的安全一體化概念

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，安全一體化是貫穿于CPPS全生命周期的一種新技術(shù)體系，其目標(biāo)是系統(tǒng)識(shí)別CPPS面臨的危險(xiǎn)，進(jìn)而建立高可信的兩安協(xié)同防護(hù)系統(tǒng)，將風(fēng)險(xiǎn)控制在可容忍的范圍之內(nèi)。安全一體化主要關(guān)注以下問(wèn)題：

（1）危險(xiǎn)源或攻擊面是什么樣的？在CPPS的物理空間，辨識(shí)物理設(shè)備的硬件失效、人員誤操作等危險(xiǎn)源；在CPPS的信息空間，分析攻擊面，識(shí)別可能被攻擊的系統(tǒng)組件、通信網(wǎng)絡(luò)和物理設(shè)備，并評(píng)估攻擊者可能利用的入口點(diǎn)和攻擊路徑。

（2）攻擊效應(yīng)是什么樣的？關(guān)注危險(xiǎn)源或攻擊面對(duì)CPPS的實(shí)際效應(yīng)，評(píng)估可能導(dǎo)致的服務(wù)中斷、數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)損壞、物理設(shè)備破壞等后果。

（3）防護(hù)措施該如何設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)和實(shí)施適當(dāng)?shù)陌踩刂坪头雷o(hù)措施，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)安全、物理安全、身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制、安全儀表功能等措施，以抵御潛在攻擊和減輕攻擊風(fēng)險(xiǎn)。

（4）安全功能如何驗(yàn)證？依據(jù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同風(fēng)險(xiǎn)路徑的測(cè)試用例，測(cè)試安全功能的及時(shí)性、有效性和協(xié)同性，評(píng)估系統(tǒng)的安全性并提升響應(yīng)能力。

（5）安全狀態(tài)如何監(jiān)測(cè)？安全監(jiān)測(cè)和響應(yīng)是指對(duì)CPPS進(jìn)行實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知和應(yīng)急響應(yīng)，以識(shí)別和處置潛在的安全威脅和攻擊，控制物理空間運(yùn)行事故的風(fēng)險(xiǎn)蔓延。CPPS通常由物理組件、網(wǎng)絡(luò)和軟件組成，涉及到物理過(guò)程的控制和信息處理，因此其安全監(jiān)測(cè)和響應(yīng)需要綜合考慮物理空間和信息安全兩個(gè)方面，具體包括網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)、物理安全監(jiān)測(cè)、安全事件日志和設(shè)計(jì)、威脅情報(bào)和漏洞管理、快速應(yīng)急響應(yīng)和恢復(fù)、應(yīng)急演練等。

2. CPPS視角的安全一體化特征

（1）安全一體化理論強(qiáng)調(diào)將信息空間和物理空間視為一個(gè)整體來(lái)考慮安全問(wèn)題，突出了信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的相互依賴性和交互作用，因此需要綜合考慮CPPS信息空間和物理空間的安全性[2]。

（2）安全一體化理論提倡多層次的安全防御策略，包括生產(chǎn)裝備/工藝、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)保護(hù)等多個(gè)層次。通過(guò)在不同層次上應(yīng)用適當(dāng)?shù)陌踩胧┖图夹g(shù)，形成安全防御的多重屏障。

（3）安全一體化理論強(qiáng)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)管理和治理的重要性。鼓勵(lì)制定風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃、災(zāi)備與恢復(fù)計(jì)劃、協(xié)同合作與信息共享等，以應(yīng)對(duì)CPPS威脅和風(fēng)險(xiǎn)。

從信息空間到物理空間的攻擊風(fēng)險(xiǎn)分析強(qiáng)調(diào)了信息安全對(duì)功能安全、甚至物理安全的影響關(guān)系。通過(guò)評(píng)估、監(jiān)測(cè)和防范網(wǎng)絡(luò)攻擊對(duì)物理裝置的可能影響，可以提高對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，并采取相應(yīng)的安全措施來(lái)保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)和人員安全。這需要綜合應(yīng)用信息安全和功能安全、物理安全等領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，建立跨領(lǐng)域的合作和應(yīng)對(duì)機(jī)制。

3. CPPS視角的風(fēng)險(xiǎn)演化

CPPS視角的風(fēng)險(xiǎn)演化分析進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)將信息空間和物理空間視為一個(gè)整體來(lái)考慮風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生、演變和控制，本質(zhì)上是分析跨域風(fēng)險(xiǎn)的傳播規(guī)律與管控策略，為CPPS安全需求分析提供關(guān)鍵信息，而安全需求分析則將這些信息轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的具體指導(dǎo)。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，風(fēng)險(xiǎn)分析聚焦三種類型的跨域風(fēng)險(xiǎn)：①由耦合域演變至物理域（以下表示為“耦合域→物理域”）的傳播風(fēng)險(xiǎn)（稱之為Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)）；②由信息域演變至耦合域，再演變至物理域（以下表示為“信息域→耦合域→物理域”）的傳播風(fēng)險(xiǎn)（稱之為Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)）；③由物理域內(nèi)的硬件失效或人員誤操作引起的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)功能安全評(píng)估技術(shù)實(shí)現(xiàn)合理管控（稱之為Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)）[4]。三種類型的風(fēng)險(xiǎn)演化路徑如圖1所示。Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與管控技術(shù)已經(jīng)非常成熟，本文不再討論此類風(fēng)險(xiǎn)。Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)在一定程度上是相似的，但它們也有明顯的不同點(diǎn)。相同點(diǎn)和不同點(diǎn)描述如下：

圖1 CPPS中三類風(fēng)險(xiǎn)的演化路徑

3.1 Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的相同點(diǎn)

（1）Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的傳播途徑最終是以影響物理域內(nèi)工藝、設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)為落腳點(diǎn)，因此，兩者重點(diǎn)關(guān)注物理組件和設(shè)備是如何受到潛在威脅的影響。

（2）無(wú)論Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)還是Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)，均是由信息空間的風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)了物理空間的風(fēng)險(xiǎn)，因此，兩者均關(guān)注如何識(shí)別和管理跨域風(fēng)險(xiǎn)的傳播途徑，以便在信息技術(shù)和物理系統(tǒng)之間建立協(xié)同的安全措施。

（3）Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)波及資產(chǎn)眾多，改變了現(xiàn)有功能安全、信息安全、物理安全強(qiáng)調(diào)局部安全的思路，它們都強(qiáng)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)安全以及系統(tǒng)交互的安全性，以確保實(shí)現(xiàn)整體安全。

3.2 Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的不同點(diǎn)

（1）Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)的誘因主要包括物理域的硬件失效或人員誤操作行為，更關(guān)注物理域內(nèi)部的相互依賴和影響，如系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備、組件、控制策略等方面的風(fēng)險(xiǎn)；Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的誘因主要涉及信息技術(shù)和通信領(lǐng)域，如軟件漏洞、惡意代碼等。

（2）Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)通常具有迅速傳播、難以預(yù)測(cè)和不易檢測(cè)的特點(diǎn)；Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)則表現(xiàn)為組件之間的相互作用和以物理為基礎(chǔ)的設(shè)備故障，具有逐步發(fā)展和累積影響的特點(diǎn)。

（3）Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的傳播路徑較長(zhǎng)，波及資產(chǎn)眾多，可能同時(shí)在信息空間與物理空間產(chǎn)生多維影響，如大規(guī)模數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)完整性受損、生產(chǎn)安全事故等；Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)往往會(huì)在物理空間產(chǎn)生影響，如設(shè)備失效、系統(tǒng)性能下降等。

（4）Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)需要關(guān)注基本過(guò)程監(jiān)視和控制系統(tǒng)、操作員監(jiān)視、報(bào)警響應(yīng)、機(jī)械減輕系統(tǒng)、儀表安全控制/減輕系統(tǒng)等方面的預(yù)防性、探測(cè)性或緩解性措施。Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)不僅要考慮Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)所涉及到的安全措施，還需要考慮信息安全方面的措施。

CPPS面臨的三種類型風(fēng)險(xiǎn)各有特點(diǎn)，因此，安全一體化機(jī)制需要在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署、驗(yàn)證、運(yùn)行和維護(hù)階段需要綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源、特征、影響及防范策略，統(tǒng)籌安全工程的整體布局，確保CPPS安全可靠運(yùn)行。

3.3  分析要點(diǎn)

（1）針對(duì)Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)識(shí)別和分析可能存在的威脅和漏洞；針對(duì)Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)分析物理域內(nèi)的設(shè)備潛在失效或人員誤操作行為。

（2）應(yīng)識(shí)別信息域、耦合域和物理域之間的交互依賴關(guān)系；針對(duì)Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)，需分析信息域或耦合域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)傳播至物理域的潛在路徑。針對(duì)Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)，需分析硬件失效或人員誤操作引起運(yùn)行事故的潛在路徑。

（3）在風(fēng)險(xiǎn)演化分析中，應(yīng)考慮攻擊漏洞的難易度、制造威脅并最終導(dǎo)致生產(chǎn)事故的技術(shù)難度、危險(xiǎn)源的發(fā)生可能性、后果嚴(yán)重度等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)傳播路徑的半定量分析。注意：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)的傳播路徑具有不同難易度的可行性，其中Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)的傳播路徑最長(zhǎng)，突破的安全措施最多，能夠成功作用于物理域的難度也最大。

（4）根據(jù)評(píng)估結(jié)果，制定風(fēng)險(xiǎn)治理和控制策略，包括信息安全措施、功能安全措施、物理安全措施等。在該階段，應(yīng)注意信息安全措施和功能安全措施的協(xié)同性。

4. 安全一體化的技術(shù)要點(diǎn)

CPPS的安全一體化機(jī)制需要在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、運(yùn)行和維護(hù)的各個(gè)階段中綜合考慮。通過(guò)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段確定安全一體化需求和制定防御防護(hù)策略，驗(yàn)證階段實(shí)施多類型的安全測(cè)試，運(yùn)行階段實(shí)施信息安全與功能安全的監(jiān)測(cè)和響應(yīng)，維護(hù)階段進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控與改進(jìn)，可以有效提高CPPS安全性，并防止系統(tǒng)受到潛在威脅的侵害，安全一體化的技術(shù)要點(diǎn)如圖2所示。

圖2  安全一體化的技術(shù)框架

在設(shè)計(jì)階段，將Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)演化路徑納入CPPS安全需求分析的考慮范圍。在CPPS設(shè)計(jì)階段，評(píng)估人員需要對(duì)信息域或耦合域的潛在網(wǎng)絡(luò)攻擊和物理域的物理破防風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，并確定安全一體化設(shè)計(jì)需求，包括信息安全防護(hù)設(shè)計(jì)需求、功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。如，實(shí)施用戶身份認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制，確保只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶和設(shè)備能夠訪問(wèn)控制層功能和資源。實(shí)施物理訪問(wèn)控制措施，限制未經(jīng)授權(quán)的人員或設(shè)備對(duì)物理設(shè)備設(shè)施的訪問(wèn)。在進(jìn)行安全一體化風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，可以采用改進(jìn)的危險(xiǎn)與可操作性分析法、保護(hù)層分析法等。此外，當(dāng)信息安全需求與功能安全需求存在沖突關(guān)系時(shí)，應(yīng)進(jìn)行權(quán)衡和折中。為了處理兩者之間的潛在沖突，需要利用如故障樹(shù)、事件樹(shù)和故障模式與影響分析等技術(shù)，從風(fēng)險(xiǎn)角度評(píng)估功能安全和信息安全的關(guān)聯(lián)影響，進(jìn)而依據(jù)設(shè)計(jì)原則，如最小權(quán)限原則、縱深防御等，以最小化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而減少設(shè)計(jì)上的沖突，保證兩者的兼容性。

在驗(yàn)證階段，需要評(píng)估CPPS安全性能和防御能力，驗(yàn)證安全一體化機(jī)制是否足夠可靠。在文獻(xiàn)[1]中，作者已經(jīng)闡述了新形勢(shì)下傳統(tǒng)危險(xiǎn)源有關(guān)的安全挑戰(zhàn)以及新技術(shù)和新產(chǎn)品導(dǎo)致的不可接受風(fēng)險(xiǎn)。在此情形下，針對(duì)開(kāi)發(fā)完成或部署完成的安全措施，應(yīng)根據(jù)測(cè)試環(huán)境（包括仿真環(huán)境或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境）和條件，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)設(shè)計(jì)相適應(yīng)的測(cè)試用例。從風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)看，需要設(shè)計(jì)Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)試用例，進(jìn)而開(kāi)展功能安全測(cè)試、信息安全測(cè)試、功能安全與信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試。需要注意的是，CPPS涉及到了智能感知、分析、控制和決策等人工智能相關(guān)的新技術(shù)應(yīng)用，這些不確定性因素增加了CPPS安全功能的不確定性（如：安全功能在相近條件下表現(xiàn)出不同的行為和性能），這又增加了測(cè)試用例設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。因此，需要對(duì)CPPS安全一體化系統(tǒng)在各種可能的情況進(jìn)行全面測(cè)試。測(cè)試用例的設(shè)計(jì)需要考慮到不確定性因素，以覆蓋潛在的風(fēng)險(xiǎn)和故障。從測(cè)試環(huán)境選取看，應(yīng)綜合使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)試和仿真環(huán)境測(cè)試，以充分評(píng)估安全一體化系統(tǒng)在不同測(cè)試用例下的性能和功能。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之前，可以使用仿真環(huán)境測(cè)試來(lái)進(jìn)行先驗(yàn)先測(cè)。仿真環(huán)境測(cè)試可以通過(guò)虛擬模型和仿真工具模擬不同的跨域演化情況，逐步評(píng)估安全一體化系統(tǒng)在多個(gè)不確定性因素下的表現(xiàn)。仿真環(huán)境測(cè)試具有靈活性，可以重復(fù)執(zhí)行和控制測(cè)試條件，以充分覆蓋系統(tǒng)可能面對(duì)的各種情況和風(fēng)險(xiǎn)。

在運(yùn)行階段，需要繼續(xù)監(jiān)控安全一體化系統(tǒng)的性能。在信息空間，建立網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控系統(tǒng)、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、安全事件響應(yīng)等信息安全措施，以及時(shí)識(shí)別和應(yīng)對(duì)潛在的安全事件。在物理空間，實(shí)現(xiàn)智能安全管理，實(shí)現(xiàn)物理裝置安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、安全儀表功能完整性監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)感知、動(dòng)態(tài)智能保護(hù)層分析等功能。同時(shí)，還需要建立應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)，并制定相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃，能夠迅速應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)物理攻擊事件。

在維護(hù)階段，CPPS安全一體化系統(tǒng)需要進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控與改進(jìn)。通過(guò)對(duì)CPPS進(jìn)行定期安全評(píng)估，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并部署新的安全措施。同時(shí)，還需要跟蹤漏洞公告和安全補(bǔ)丁，確保系統(tǒng)始終處于最新的安全狀態(tài)。此外，也需要對(duì)安全儀表功能進(jìn)行定期的功能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)組件故障，保證安全儀表功能在需要時(shí)能夠及時(shí)啟動(dòng)。對(duì)于功能安全與信息安全協(xié)同機(jī)制，應(yīng)根據(jù)行業(yè)最佳實(shí)踐或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，更新協(xié)同設(shè)計(jì)的策略。

5. 結(jié)語(yǔ)

CPPS發(fā)展促進(jìn)了信息空間與物理空間的深度融合，同時(shí)也來(lái)了一種新型風(fēng)險(xiǎn)：網(wǎng)絡(luò)物理攻擊風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)CPPS安全一體化防護(hù)提出了新要求。已有的功能安全技術(shù)和信息安全技術(shù)是相互割裂的，不能較好地適用于Ⅰ型和Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與管控。鑒于此，本文基于信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS面臨的安全挑戰(zhàn)與解決思路，提出了CPPS視角的安全一體化技術(shù)框架，首先闡述了安全一體化的概念和特征，其次重點(diǎn)介紹了安全一體化評(píng)估領(lǐng)域的兩類跨域風(fēng)險(xiǎn)，最后從設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、運(yùn)行和維護(hù)等階段分析了CPPS安全一體化的技術(shù)要點(diǎn)，以期為CPPS綜合安全管理與治理提供參考依據(jù)。

作者：張?chǎng)危钐煊樱瑒帲貅腌?/p>

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來(lái)源：機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所