工业控制系统信息安全风险评估方法研究工业控制系统信息安全产业联盟

摘要：随着信息化和工业化的深度融合，工业控制系统信息安全形势日益严峻。信息安全风险评估作为一种了解工业控制系统安全风险的重要手段，越来越受到更多人的关注。本文以层次分析法为基础，将权重比引入工业控制系统信息安全评估中，可得到更为合理的评估结果。

关键词：工业控制系统；信息安全；权重比

1　引言

随着云计算、大数据、工业互联网等新兴技术在工业领域的广泛应用，信息安全威胁逐渐向工业领域蔓延，工业控制系统信息安全形势日益严峻。信息安全风险评估作为一种了解工业控制系统安全威胁的重要手段，受到越来越多人的关注。

工业控制系统信息安全风险评估方法主要有三类，分别为经验分析法、定性分析法和定量分析法^[1]。经验分析法适用于评估经验不足的评估者，由经验丰富的专家制定安全基线，供评估者借鉴使用；定量分析法是在度量风险时，对风险要素进行赋值，进而量化评估结果；定性分析法是对风险要素进行分级，一般可分为“高”，“中”，“低”三级，最终以级别表示评估结果。本文以层次分析法为基础，结合定量分析与定性分析进行工业控制系统信息安全风险评估。

2　工业控制系统信息安全风险评估模型

参考《信息安全技术工业控制系统风险评估实施指南》和《信息安全技术工业控制系统安全控制应用指南》，从资产、脆弱性、威胁和安全措施四方面对工业控制系统开展信息安全风险评估，评估模型如图1所示，由上至下依次为目标层，准则层和因素层^[2]。目标层为工业控制系统主体，准则层包括资产、脆弱性、威胁和安全措施，因素层包括硬件资产、软件资产、人员资产、其它资产、管理脆弱性、技术脆弱性、自然环境、内部无意风险、内部有意风险、外部威胁、事前防御、事中响应和事后取证^[3]。

图1 工业控制系统信息安全风险评估模型

硬件资产包括：IED、PLC、DCS等工业现场控制层设备；路由器、网关、交换机等网络设备；工业防火墙、入侵检测系统、网闸等安全设备；服务器、工作站、HMI等计算机设备；磁盘阵列、移动硬盘等存储设备。软件资产包括：数据库系统、操作系统等系统软件；组态软件、远程控制软件、数据库软件、工业控制系统工具软件、OPC等应用软件；工业控制代码、现场设备固件等源程序；工业生产数据、工业控制实时数据、运行管理数据。人员资产包括：操作人员，运维人员，工业控制系统设计人员，信息安全人员。其它资产包括除了硬件、软件和人员之外的资产。

管理脆弱性包括：工业生产环境脆弱性，生产设备脆弱性。技术脆弱性包括：工业控制网络边界脆弱性，工业控制系统网络设备脆弱性，工业控制系统网络通信脆弱性，工业无线网络脆弱性，工业控制系统硬件脆弱性、软件脆弱性、配置脆弱性。

自然环境包括：静电、灰尘、潮湿、电磁干扰、意外事故等环境危害或自然灾害。内部无意风险包括：内部员工未遵循规章制度和操作流程，导致工业控制系统故障或被攻击。内部有意风险包括：内部员工对工业控制系统进行破坏或窃取系统信息。外部威胁包括：外部人员对工业控制系统进行攻击。

3　工业控制系统信息安全风险评估

3.1　风险量化

风险量化的过程如图2所示。

图2 风险量化过程

3.2　构建风险评估模型

在开展工业控制系统信息安全评估前应首先构建风险评估模型，本文采用如图1所示的工业控制系统信息安全风险评估模型。

3.3　确定模型各层权重比

3.3.1　重要性程度

首先要将复杂的多因素问题转化为两两对比的问题，并且将他们量化。将两因素对比结果分成5个等级：相同、稍强、较强、明显强、绝对强，并用数字1-9来进行量化，如表1所示[4]。

表1 两因素对比结果

3.3.2　构建比较矩阵

每次选取两个因素a和b进行比较，用x_ab来表示a，b定量重要性的结果，构建出比较矩阵。

3.3.3　一致性检验

计算一致性指标CI，，n是比较矩阵的阶数，是比较矩阵的最大特征值。查找一致性指标RI，如表2所示。

表2一致性指标 RI

计算一致性比例CR，，当CR<0.10的时候，比较矩阵的一致性是可以接受的，不然应对该矩阵做出修改。

3.3.4　计算权重向量计算权重向量有方根法，求和法，特征向量法，

最小二乘法。方根法计算权重向量，如式（1）所示：

求和法计算权重向量，如式（2）所示：

特征向量法计算权重向量，

A是比较矩阵，W是权重向量；最小二乘法计算权重向量，用拟合方法确定权重向量，使残差平方和为最小，如式（3）所示：

3.4　专家评分

得出各项权重比之后，由专家对待评测的工业控制系统进行整体评估：每项分数为0到1，0到0.2为不具备安全措施，0.2到0.4安全性较差，0.4到0.6为安全性一般，0.6到0.8为安全性较好，0.8到1为安全措施完备。

通过得出系统总分数，w_i是i因素对应的权值，S_i是i因素的评估分数，S是求出的对应的系统评估分数。0到0.2为系统风险很高，0.2到0.4系统风险较高，0.4到0.6为风险一般，0.6到0.8为风险较低，0.8到1为系统安全。

3.5　评估结果

在得出总分数后，整理评估结果，包括系统整体评分、系统各层次重要性占比、各部分因素的评分、系统待改进排名^[5]。

4　实例论证

针对钢铁行业某集团开展工业控制系统信息安全风险评估，对其制造执行系统、监视控制与数据采集系统、分布式控制系统、可编程逻辑控制器等工业控制系统进行评估。集团下属钢铁厂采用的网络拓扑结构为三层网络，不同生产车间的生产设备通过L1层工业交换机与L2层服务器进行连接，通过L2层核心交换机进行数据汇集和交换，与L2层各个子网中的工程师站进行通信。为保证L1、L2生产控制网络的信息安全性，在L3层的网络出口处专门设置了网络防火墙进行安全隔离。

对“资产”下的四个风险因素进行评估，如图3所示，对4项风险因素进行两两判断赋值，构造出比较矩阵，如式（4）所示。