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袁曉舒 桑梓 楊平 中國東方電氣集團(tuán)中央研究院

摘要：隨著傳統(tǒng)電廠向數(shù)字化電廠的演進(jìn)，電廠控制系統(tǒng)未來面臨更加復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，來自網(wǎng)絡(luò)的攻擊成為電廠控制系統(tǒng)面臨的新威脅。本文通過對以汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)（DEH）為代表的電廠控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊測試，分析了不同類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊對控制系統(tǒng)的影響。

關(guān)鍵詞：電廠控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)攻擊；漏洞

電廠控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅關(guān)系到電廠本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也會影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)讓以集散控制系統(tǒng)（DCS）為代表的電廠控制系統(tǒng)具備了與信息系統(tǒng)互聯(lián)互通的能力，直接或間接實(shí)現(xiàn)了外部網(wǎng)絡(luò)對物理對象的訪問[2-4]。來自外部的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊成為影響電廠控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的新威脅。已經(jīng)發(fā)生過的電廠安全事故[5]說明，對電廠控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊能夠使電廠從電網(wǎng)解列，直接威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國內(nèi)對電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊方面的研究尚處于起步階段[6-7]。在這個背景下，現(xiàn)有的電廠控制系統(tǒng)能否抵御來自外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊以及來自外部的網(wǎng)絡(luò)攻擊能夠在多大程度上對業(yè)務(wù)造成危害是必須回答的兩個問題。因此，通過對實(shí)際DCS及其組件的網(wǎng)絡(luò)攻擊測試是評估電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全攻擊危害的重要途徑。本文通過對多個國內(nèi)外廠商的電廠控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊測試，以DEH為對象分析了電廠控制系統(tǒng)在遭遇網(wǎng)絡(luò)攻擊時可能對業(yè)務(wù)的影響。

1　概述

為了進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)攻擊對電廠控制系統(tǒng)的威脅，中國東方電氣集團(tuán)中央研究院選取了在發(fā)電行業(yè)廣泛應(yīng)用的國內(nèi)、外知名的控制系統(tǒng)廠商控制系統(tǒng)產(chǎn)品，搭建了DEH（汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)安全攻擊環(huán)境，進(jìn)行了初步的研究。

研究采用了SYSFLOOD、UDPFLOOD模擬一般網(wǎng)絡(luò)攻擊，MODBUS TCP特殊指令模擬APT攻擊。

2　攻擊測試

2.1　以太網(wǎng)模擬攻擊

測試通過采用專門軟件對DEH的SYSFLOOD、UPDFLOOD攻擊來模擬控制系統(tǒng)遭遇的一般網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2.1.1　SYSFLOOD攻擊

SYSFLOOD是一種廣為人知的DoS（拒絕服務(wù)攻擊）與DDoS（分布式拒絕服務(wù)攻擊）的方式之一，這是一種利用TCP協(xié)議缺陷，發(fā)送大量偽造的TCP連接請求，從而使得被攻擊方資源耗盡（CPU滿負(fù)荷或內(nèi)存不足）的攻擊方式。

通過對某廠商控制系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行SYSFLOOD攻擊可以模擬該控制系統(tǒng)在遭遇常見的局域網(wǎng)攻擊時的狀態(tài)。

當(dāng)采用單臺PC機(jī)對該控制系統(tǒng)的一個控制器進(jìn)行SYSFLOOD攻擊時，在工程師站的觀測軟件上，可以看到被控制器的CPU占用率快速上升，并出現(xiàn)紅色警示。

采用兩臺PC機(jī)增加對該控制系統(tǒng)的一個控制器的SYSFLOOD攻擊量后，會使得控制器重啟。通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)較小的攻擊流量可以使控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信中斷，進(jìn)而使得電廠監(jiān)控畫面上汽輪機(jī)的狀態(tài)參數(shù)不再發(fā)生變化，也就是說，這時控制人員無法通過了解汽輪機(jī)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，而較大的攻擊流量會使得DEH無法工作，從而造成不能對汽輪機(jī)進(jìn)行正常控制。

2.1.2　UDPFLOOD攻擊

UDPFLOOD是流量型DoS攻擊，原理也很簡單。常見的情況是利用大量UDP小包沖擊DNS服務(wù)器或Radius認(rèn)證服務(wù)器、流媒體視頻服務(wù)器。100k pps的UDPFlood經(jīng)常將線路上的骨干設(shè)備如防火墻打癱，造成整個網(wǎng)段的癱瘓。由于UDP協(xié)議是一種無連接的服務(wù)，在UDPFLOOD攻擊中，攻擊者可發(fā)送大量偽造源IP地址的小UDP包。但是，由于UDP協(xié)議是無連接性的，所以只要開了一個UDP的端口提供相關(guān)服務(wù)的話，那么就可針對相關(guān)的服務(wù)進(jìn)行攻擊。

UDPFLOOD攻擊開始后，也在工程師站的觀測軟件上，可以看到被攻擊方的CPU占用率快速上升，并出現(xiàn)紅色警示。在工程師站上執(zhí)行ping命令，測試工程師站與DEH系統(tǒng)是否正常通信，結(jié)果工程師站無法ping通DEH。

和SYSFLOOD攻擊不同，UDPFLOOD攻擊只能讓網(wǎng)絡(luò)通信中斷，并不能夠?qū)刂破鳟a(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，在攻擊過程中，控制器中的控制邏輯始終生效，說明這種攻擊方式不能對汽輪機(jī)控制的實(shí)際業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。

2.1.3　延伸測試

對另一廠商的控制系統(tǒng)同樣進(jìn)行上述兩項(xiàng)攻擊測試。

SYSFLOOD攻擊開始后，在工程師站的觀測軟件上，DEH系統(tǒng)上出現(xiàn)故障報(bào)警。

在工程師站上執(zhí)行ping命令，測試工程師站與DEH系統(tǒng)是否正常通信，結(jié)果工程師站無法ping通，如圖1所示。

圖1

UDP Flood攻擊開始后，在工程師站的觀測軟件上，DEH系統(tǒng)上出現(xiàn)報(bào)警。

在工程師站上執(zhí)行ping命令，測試工程師站與DEH系統(tǒng)是否正常通信，結(jié)果工程師站無法ping通。

2.2　MODBUS TCP攻擊

2.2.1　MODBUS TCP特定功能碼攻擊

采用專門工具可以對某廠商控制系統(tǒng)進(jìn)行MODBUS TCP攻擊，向DEH發(fā)送29功能碼的數(shù)據(jù)包，如圖2所示。

圖2

攻擊開始后，在工程師站的觀測軟件上，可以看到DEH系統(tǒng)離線，從連接控制器的顯示器上可以看到，DEH系統(tǒng)重啟，如圖3所示。

圖3

2.2.2　MODBUS TCP漏洞攻擊

采用專門工具針對某廠商控制系統(tǒng)的信息安全漏洞發(fā)送特定的MODBUS TCP數(shù)據(jù)包如圖4所示。

圖4

在工程師站的觀測軟件上，可以看到DEH系統(tǒng)的CAN總線通訊中斷。

2.2.3　延伸測試

采用專門工具針對某廠商控制系統(tǒng)的信息安全漏洞對DEH的兩個控制器發(fā)送特定MODBUS TCP數(shù)據(jù)包，會導(dǎo)致兩個控制器都處于離線狀態(tài)，將該DEH的數(shù)字量輸出接到數(shù)字示波器上可以發(fā)現(xiàn)，輸出信號波形圖為一條直線如圖5所示。

更換另一控制系統(tǒng)廠商產(chǎn)品進(jìn)行測試，可以得到同樣的結(jié)果。此時，DEH已經(jīng)無法對汽輪機(jī)進(jìn)行正常控制。

3　總結(jié)

多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)缺乏抗網(wǎng)絡(luò)安全攻擊的設(shè)計(jì)，大流量的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊就可能會導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法正常工作，但在小流量情況下控制系統(tǒng)還能夠保持對被控設(shè)備的控制。

部分控制系統(tǒng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時考慮了信息安全，能夠抵御一般的網(wǎng)絡(luò)攻擊，這說明工業(yè)控制系統(tǒng)自身安全性提升能夠起到一定的作用。

工業(yè)控制系統(tǒng)采用的部分協(xié)議自身存在著信息安全風(fēng)險(xiǎn)，特定的功能碼會對控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖5

工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全漏洞被利用會導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能正常工作進(jìn)而失去對被控設(shè)備的控制，部分漏洞還可能導(dǎo)致攻擊者實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的利用。

電廠的控制系統(tǒng)內(nèi)部也應(yīng)加強(qiáng)信息安全防御，以避免控制系統(tǒng)遭遇網(wǎng)絡(luò)攻擊后失去對發(fā)電設(shè)備的控制能力。

作者簡介

袁曉舒（1973-），男，江西余干人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國東方電氣集團(tuán)中央研究院。曾在中科網(wǎng)威、億陽信通、浪潮集團(tuán)等公司從事信息安全工作，先后擔(dān)任入侵檢測、防火墻、4A等產(chǎn)品的產(chǎn)品經(jīng)理和技術(shù)部經(jīng)理。后加入東方電氣中央研究院研究工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全，先后擔(dān)任企業(yè)、省和國家多個工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全科研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，目前正專注于電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)的控制系統(tǒng)信息安全研究。

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摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》專刊第三輯