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数控机床自动化网络信息安全综合防护方案

文档作者：刘杰汪京培李丹云雷陈晶晶文档来源： 1．中国赛宝实验室信息安全研究中心 2．中国和平利用军工技术协会		点击数：	更新时间： 2021年06月02日
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第3期
2016年3月
组合机床与自动化加工技术
M odular M achine Tool&amp;amp; Autom atic M anufacturing Technique
No．3
Mar．2016
文章编号：1001—2265(2016)03—0082—04 DOI：10．13462／j．cnki．mnltalnt．2016．03．023
数控机床自动化网络信息安全综合防护方案术
刘 杰 ，汪京培 ，李
(1．中国赛宝实验室信息安全研究中心，广州
100088)
丹 ，云 雷 ，陈晶晶
510610；2．中国和平利用军工技术协会，北京
摘要：为了解决数控机床联网后的信息安全威胁，提出了一种数控网络信息安全综合防护方案。该
方案基于数控网络系统架构，以事件生命周期为主线，采用可信安全防护技术、自治愈理论，融合基
础数据和系统安全防护技术，形成数控机床自动化网络安全综合防护功能。对方案的功能、性能以
及基于数控系统的高级持续性威胁实例进行详细分析，结果表明了所提方案的合理性和较好防护效
果。该方案的建立实现了数控网络系统事前监控、事中检测和自治愈、事后审计系统化的信息安全
防护。
关键词：数控机床；数控系统；信息安全防护；可信；自治愈
中图分类号：THI66：TH659 文献标识码：A
Integrated Information Security Protection M ethod in the Autom atic Network of CNC
LIU Jie ，WANG Jing—pei ，LI Dan ，YUN Lei ，CHEN Jing-jing
(1．Information Security Research Center，China CEPREI Laboratory，Guangzhou 510610．China：2．China
Associauon of Peaceful User of Military Industrial Technology，Beijing 1 00088。China)
Abstract：In order to solve the information security threats for the interconnected CNC，an inforillation secu—
rity integrated protection method for automatic network of CNC is studied in this PaDer．Based on the NC
network system architecture．this method takes the event lifecycle as the main line．adopts the trusted securi—
ty protection，self-healing theory，and integrates into basic data and system security protection technologies，
finally form s a comprehensive security protection for automation network of CNC． Detailed analysis from
functionality，performance，and an example of advanced persistent threats for NC system are performed，the
results validate the rationality and effectiveness of the proposed method．The integrated protection method re
alizes the systematic security protection covering the proactive monitoring，detection，self-healing，post au—
diting and evidence collecting for the network systems of CNC．
Key words：CNC ；NC system ；inform ation security protection；trusted；self-healing
0 引言
数控系统固有安全漏洞和联网后的开放性，使其
面临的信息安全威胁持续扩大。数控系统是数控机床
的“大脑”，高端数控系统核心技术基本被工业发达国
家垄断，数控系统存在不可控的漏洞、后门等安全隐
患。同时针对控制系统的信息安全攻击事件持续发
生 。数控系统一旦遭到破坏，将会导致数控机床乃
至整个生产线停机，造成企业重大损失。所以研究数
控机床信息安全防护理论与技术，对保障工业基础设
施稳定运行具有重要意义。
美国能源部国家SCADA测试床计划(NSTB)L2j发
布了防护控制系统路线图。欧洲网络与信息安全局
(ENSIA)制定的防护控制系统的指导文件也于201 1年
发布。国内王琦魁 提出一种数控加工网络信息安全
防护方案，部署数控加工网络边界隔离设备和数控系统
终端防护设备，保障数控网络安全。王剑 提出了DNC
数控网络系统安全防护架构，部署防火墙在办公局域网
和DNC数控网之问过滤数据，然而该方案对于内部信
息泄露缺乏有效的防护。于立业 提出工业控制系统
信息安全纵深防御解决方案，采用边界隔离和入侵检测
的访问控制机制，缺乏系统化协同防护。
可信计算和自治愈被认为是解决控制系统本质安
全的重要方法。Fadul 将可信计算理论应用到智能
电网的SCADA系统安全防护中。伍江江 提出一种
基于虚拟隔离数据可信存储体系来进行数据非授权防
护，魏占祯 提出了一种基于可逆向扩展的可信数据
封装方案。目前可信网络理论和技术的研究主要在普
收稿日期：2015—12—16；修回日期：2016—02—03
基金项目：国防基础科研计划资助(JSQB2014205AO05)
作者简介：刘杰(1963一)，男，安徽泗县人，中国赛宝实验室信息安全研究中心研究员，研究领域为数控机床、信息安全与软件可靠性测评，(E—
mail)liujie@ceprei．eom；通信作者：汪京培(1983一)，男，湖北嘉鱼县人，中国赛宝实验室工程师，博士，研究方向为信息网络安全，(E—
mail)wjpbupt@163．eom。

· 84· 组合机床与自动化加工技术 第3期
制，对数控系统核心数据进行保护，如图4所示。
可信存储 安全保护域
— — r_—— — — — 一
TPM I+ 卜匾垂
1可信接口
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． — — I h
● —．H 预测策略 1三二二二 曩售h厘
一i安全保护域 ／f f
砸溺 一l 管理器
一 要
图4可信数据防护机制
在控制网总线上动态构建类似于VPN的通信隔
离环境来保证设备控制数据不被泄漏。结合可信计算
和虚拟化技术，在DNC数控网络上构建虚拟机系统，
建立敏感数据安全保护域(SPD，Secure Protection Do—
main)，通过将敏感数据绑定在安全域内，根据数据的
保护预期对DNC数据访问请求进行安全验证和策略
控制，阻止不可信进程对数据的读写操作和传递到不
可信区域，从而实现数据防泄漏功能。对不可信的进
程传递给恶意代码检测服务器，查验恶意入侵行为。
可信虚拟数据防护机制主要用于事前监控、安全隔离，
事中入侵检测，事后审计查验。
第三，在办公网络上部署可信网络服务器。动态
运行中，可信节点具有一定的智能性，其可信与行为动
作相关，信任理论就是解决行为可信的有效方法，根据
节点历史表现确定可信值，大于可信阈值的节点才能
参与服务，从而隔离恶意节点。可信网络主要用于事
中检测，结合入侵防御、恶意代码防御，为审计提供证
据。基于上述三个方面，建立数控系统可信防护模型。
配合传统数据防护和系统防护技术，实现数控系统数
据安全和系统安全。
2．3 数据和系统安全防护
基础数据安全防护技术主要包括传统的数据隔离
技术(如访问控制、防火墙等)，数据防泄露技术、数据
安全存储技术。数据隔离设备部署在数控系统外部接
口网络、接入网总线、控制网总线之间，作为基础防护
手段，用于事前监控、事中检测。
数据安全防护主要配合可信数据防护机制，对运行
的数据，设置移动设备数据控制功能，存储在移动设备
上。一旦接入系统或遭遇不正常访问，主动接通数据访
问监控服务器，启动访问控制机制。DNC数据服务器中
的敏感数据配合信息保护域管理器进行安全存储。
系统运行基础防护技术主要包括协议检测、入侵
检测、恶意代码检测。
系统安全防护主要配合可信防护和自治愈机制。
在办公网和DNC数控网络部署入侵检测／防御系统。
对系统运行状态实时监控，对专用工业通信协议进行分
析，发掘入侵线索，用于事后审计。可信防护予以拒绝
的进程，由入侵检测系统予以判断，做出防御响应。同
时收集恶意攻击证据，用于事后审计。在攻击威胁影响
到数控机床的可用性时，启动自治愈容错恢复机制。
2．4 自治愈容错
自治愈机制的原理是在攻击发生的情况下，系统
通过接受风险、反馈调整，使系统处于健康工作范围
内，从而实现对攻击的免疫性。
在数控机床网络接口与交换系统上建立自治愈管
理器。通过监测系统运行状态和行为来判断系统的改
变是否在可接受范围，进而执行相应的策略。检测数
控系统异常运行行为，监测采集到的值抽象化，与数控
系统功能属性(如可用性)关联，根据数控系统各个部
件的约束评估值，推理确定数控系统是否运行在可接
受范围内，超出某个部件／网络的阈值时，进行系统异
常预警。同时，启动自治愈响应机制，根据当前系统状
态需要达到的目标生成防御恢复策略和推理演化机
制，通过恢复机制对违反系统约束的情况进行恢复，并
反馈作用到运行系统上。
容错恢复主要是保障系统发生灾难时仍能继续提
供服务的能力，或是能够快速恢复被攻击系统到正常
状况。冗余技术是最基本的容错恢复技术，在数控机
床网络适量部署冗余机床，在数控机床网络接口和交
换网上部署软件冗余模块。同时启动自检技术，找到
故障位置，屏蔽或隔离故障部件。系统改变和故障定
位的过程信息以日志的形式记录，存储在审计服务器
中，以备必要时审计。
2．5 综合防护机制
将前述分步建立的模型依次融合到数控系统事件
生命周期中。主要将可信防护技术融入到事前实时监
控中，实现可信访问控制；将自治愈机制融合到事后容
错恢复中；将数据安全防护技术与可信机制结合，保护
事件周期中的数据安全；将系统安全技术融合到事中
检测，配合可信机制，进行事后取证审计。
3 数控系统安全综合防护方案分析
3．1 防护方案功能分析
所提方案可针对如下几种攻击的应对。
恶意代码攻击：利用数控网络系统的硬件、软件、
协议漏洞进行恶意代码攻击。在综合防护体系中，部
署在外网和内网恶意代码检测机制可检测恶意攻击，
可信访问监控可发现通过移动存储设备的入侵，可信
虚拟防护域基于完整性的访问控制需求可阻断恶意代
码攻击，并预警或启动自治愈修复。
未授权访问：首先由安全隔离设备进行初步隔离，可
信数据防护机制进行拒绝访问操作，并提交审计服务器。
信息泄露：主要是内部网络信息泄露，可依靠可信
数据隔离环境、敏感数据安全保护域、对数据读写的认
证来防护。根据操作日志，进行审计。
拒绝服务攻击：主要针对DNC数控网络中的系统
服务器、DNC传输服务器、接口交换机进行攻击，使之不
能正常工作或缓冲区溢出。综合防护方案中主要通过
协议检测监控访问流量，通过可信计算平台阻止非可信
访问请求。一旦数控机床出现故障，启动自治愈机制中
的冗余机制，保证可用性，同时利用自检机制恢复故障。
防护方案协同性：当面临各种攻击时，综合利用可
信防护、数据和系统基础防护、自治愈防护，协同防护
数控系统。
(1)防护方案的时间协同。可信防护用于事前监
2016年3月 刘 杰，等：数控机床自动化网络信息安全综合防护方案 ·85·
控，实现可信访问控制；自治愈机制用于事后容错恢
复；基础数据安全防护配合可信数据防护，用于事中主
动数据访问控制；基础系统安全防护配合可信防护，对
可信防护拒绝进程进行入侵检测，收集攻击证据，用于
事后审计。在攻击威胁到数控系统可用性时，启动自
治愈容错恢复机制。
(2)防护方案的空间协同。所提方案充分利用数
控网络架构不同资源属性来部署防护技术，数控机床
网络实时性要求高，采用可信虚拟域隔离机制防止非
授权访问，并把针对数控机床的入侵防护机制部署在
数控网络中。一旦突破所有防护措施，启动自治愈机
制，隔离修复受损设备。在DNC数控网络中，部署可
信平台、人侵防御监控平台，确保核心控制系统安全
性。在办公网中部署复杂可信网络、入侵检测、恶意代
码检测等措施，确保外围网络可靠性。
3．2 防护方案性能分析
所提防护方案相对典型的纵深防御方案 ，主要
增加了可信防护模块(T)、自治愈模块(S)、与IPS、恶
意代码检测模块的接口机制(，)，其时间复杂度分别为
，(t( )) t(s)) t( )) 是时间函数，事前监控阶
段主要是可信防护模块的持续监控，所提防护方案
(P)的时间复杂度为 ￡(P))= ( ))=O(n)， 为
可信模块部署数量。事中检测阶段包括可信防护检
测、数据和系统防护检测、自治愈恢复。可信网络计算
的复杂度为0(n )，／'b 为传输节点数，可信数据防护
机制的事件复杂度为D(／／,)+o(1)，O(1)为偶尔的外
部移动设备访问监控时间，自治愈恢复为O(1)，数据
和系统防护的复杂度为O(n)，因此事中检测阶段f(t
(P))=．厂( (T))+ ￡(S))+，(￡(，))= 0(n )+
20(rt)+20(1)。事后审计取证阶段的时间复杂度为
0(1)。空间复杂度主要是增加了可信管理服务器、自
治愈管理服务器以及相应数据存储服务器，空间复杂
度为30( )。
3．3 对比分析
相对于王琦魁等所提出数控加工网络防护方案
(简称王方案)，本文所提方案增加了可信防护、自治愈、
以及系统协同防护模块。王方案主要采用加工网络边
界隔离设备和终端防护设备，配合审计和防护协议保护
数控系统。在抗攻击方面，王方案针对外部攻击具有较
好效果，但对恶意内部泄露攻击防护较弱；在效率方面，
王方案通信内容深度检查、细粒度访问控制、主机入侵
防御都需要模式匹配和计算，时间复杂度介于0(n)和
D(n )之间，n为计算实体数量。在防护效果方面，现场
设备的深度检查会降低可用性，对完整性破坏的防护措
施没有提及，对安全攻击处置较为滞后。
相对于Fadul提出智能电网可信防护方案 ，本
文所提方案更为全面。Fadul方案利用基于信誉的信
任管理系统来缓和针对未来智能电网设施脆弱性的攻
击，可信系统部署在智能电网通信支持防护系统中。
在抗攻击方面，Fadul方案由于信誉的反馈延时，抗突
发攻击能力较弱。在效率方面，信誉计算和信任管理
需要多域的网络社区参与迭代计算，时间复杂度接近
D(n )，空间复杂度为mn，m为实体历史向量长度，n
为实体数量。在防护效果方面，基于信誉的恶意攻击
免疫机制和通信带宽合理分配机制，使得具有较好的
安全性，适宜的可用性，但完整性防护欠缺。
以上分析结果列于表1中，防护效果用三个级别的
属性值表示：“优”、“中”、“差”，“差”表示相应的属性未
提及或效果较差。有一定效果，略显不足为“中”。抗攻
击效果分为2个状态：可信和不可信。效率用时间复杂
度表示。表1所示结果为以本文方法作为当前标准的
相对性能，可以推测出本文所提方案的优越性。
表1 防护方案对比
3．4 实例分析
以高级持续性威胁(Advanced Persistent Threat，
APT)攻击为例，分析所提综合防护方案的有效性。
APT 攻击灵活组合多种新型攻击方法，对目标长
时间渗透，在特定时刻实施攻击。典型的针对数控系
统的APT攻击过程分为5个阶段。① 收集情报。利
用社会工程，搜集并锁定特定的数控机床。②突破防
线。利用服务器漏洞、网站挂马、钓鱼软件、移动客户
端漏洞，攻人办公网主机，获取受害主机的权限。③建
立据点，横向渗透。建立控制服务器到受害主机的信
道并获取系统权限，横向探测办公网系统和DNC网络
的结构和数据访问规则，入侵更多主机，并规避被发
现。④ 攻击DNC系统服务器。模拟正常节点，连接
DNC系统服务器和DNC传输服务器，利用服务器漏
洞，获取系统代码执行权限。⑤ 完成攻击。修改或破
化控制数据，造成数控机床设备损坏或停机，并伴随踪
迹销毁等撤退策略。
所提综合防护方案的防护主要分为4个阶段：
第一阶段，攻击办公网络主机。在办公网部署的
防火墙、入侵检测、恶意代码检测机制可阻断部分入侵
行为；部署的可信网络可根据节点长期历史表现，隔离
不可信主机。并提交取证审计模块。
第二阶段，横向渗透攻击。办公网内的渗透通过
上述人侵检测和可信网络隔离。针对DNC数控网络
的渗透采用协议检测、数据访问监控、可信数据防护机
制来监控异常数据流，阻断恶意节点对数控网内数据
信息读写和对控制信息的截获，并预警。
第三阶段，攻击DNC系统服务器。在服务器上部
署的可信计算平台通过完整性认证，拒绝恶意节点对
操作系统的非预期控制，并确定数据篡改，实时预警；
在DNC传输服务器上关联的可信数据防护机制阻断
恶意指令的传输，并提交恶意代码检测服务器进一步
检测防御，进行取证审计。
第四阶段，恶意行为绕过可信平台，对设备进行攻
击。启动虚拟隔离机制，隔离受害数控机床，控制攻击
范围；启动自治愈机制，通过无故障冗(下转第89页)
2016年3月 张彦龙，等：基于位置域频率和相位辨识的永磁直线电机推力波动抑制技术研究 ·89·
运行时的噪声影响，使得补偿效果更好。
时间
(b)补偿前后的速度曲线
图7 补偿前后的推力波动曲线和稳态速度波形
4 结论
针对推力波动对直驱伺服系统的影响，本文建立
了基于推力波动数学模型的前馈补偿策略。首先将测
得的推力波动信号通过FFr提取信号中的特征频率，
然后采用遗传算法推力波动辨识出推力波动模型中的
参数，最后根据推力波动模型设计前馈控制器。通过
在一台永磁同步直驱电机的实验研究表明，该方法明
显抑制了直线电机稳态速度波动。同时该方法实现过
程较为简单，不需要额外的实验设备和传感器，前馈补
偿器不复杂且运算量小，实时性强。
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(编辑李秀敏)
(上接第85页)余机床持续提供服务；同时启动自检
技术，屏蔽或隔离故障部件，并及时修复和审计。从而
最大化消除APT攻击的影响。
按照图2的基本结构搭建模拟环境，部署防护方
案，模拟APT 攻击方式，配合各种渗透技术，入侵到
DNC数控网络20次，以读取和破坏DNC控制文件为
攻击目标。实验结果显示攻击都被有效阻断，第一阶
段攻击阻断概率(阻断的攻击次数占比总攻击次数)
为40％ ，第二阶段检测概率为30％ ，最后30％ 都在第
三阶段被阻断。
综上所述，所提出的综合防护方案对APT 攻击具
有较好的防护效果。
4 结论
本文提出了一种数控机床自动化网络系统安全综
合防护方案，有效解决了数控机床信息安全防护难题，
相对于以往的方案具有更好的协同性和有效性。该方
案可形成完整的过程防护，并自成体系，对APT 有较
好的防护效果。由于可信防护技术和自治愈的本质安
全特点，该方案可部署在异构混杂的数控系统中。
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