工业控制系统中的数据加密与访问控制机制

工业控制系统中的数据加密与访问控制机制

邱玥灏

江苏省产业技术研究院  江苏  南京 210000

摘要：随着网络安全威胁的日益增加，保护关键基础设施的数据安全成为了一个迫切的需求。针对目前工业控制系统中网络安全等级低、数据容易被窃取等问题,通过构建网络安全高等级数据平台来提高其安全性。本文探讨了工业控制系统（ICS）中数据加密与访问控制机制的应用与重要性。首先，介绍了对称加密和非对称加密技术，强调了它们在保护传输和存储数据中的作用。接着，讨论了认证与授权、物理与逻辑访问控制的策略，展示了这些机制如何确保系统的安全性和数据的完整性。通过浙江石油化工有限公司的案例研究，展示了实际应用中数据加密和访问控制技术的有效性。

关键词：工业控制系统；数据加密；访问控制；认证

引言：

伴随着5G技术的持续发展以及成熟，以5G为基础来达成工业化数据的科学传递以及分析、控制，也成为了一个新趋势。为了让工业化数据可更好地达成采集以及应用，达成对生产数据的有效控制与监控。在现代工业控制系统（ICS）中，数据加密与访问控制的重要性不容忽视。数据加密技术确保信息在传输和存储过程中的机密性和完整性，而访问控制机制则保证只有授权用户才能访问敏感信息和系统资源。

一、工业控制系统中的数据加密技术

（一）对称加密

工业控制系统（ICS）中的数据安全对保护关键基础设施至关重要。数据加密技术是确保信息在传输或存储过程中保持机密性和完整性的基石之一。在这个领域，对称加密作为一种基本的加密方法，扮演着核心角色。对称加密是一种加密机制，其中加密和解密过程使用相同的密钥。这种方法的主要优势在于其加解密过程速度快，适合于大量数据的加密。由于使用相同的密钥，对称加密在密钥管理和分发上面临挑战，尤其是在需要安全地向多个参与者共享密钥的情况下。在工业控制系统中，对称加密常用于实现点对点的数据保护。例如，两个控制节点之间的通信可能通过对称加密来确保数据在传输过程中不被未经授权的第三方读取或修改。常见的对称加密算法包括高级加密标准（AES）、数据加密标准（DES）和三重数据加密算法（Triple DES）。密钥管理是对称加密在工业控制系统应用中面临的主要挑战之一。

（二）非对称加密

非对称加密，也称为公开密钥加密，是一种加密方法，其中使用一对密钥来执行加密和解密过程。这对密钥包括一个公钥和一个私钥。公钥可以公开分享，用于加密信息，而私钥则必须保密，仅由密钥的所有者持有，用于解密信息。这种方法的核心优势在于其能够提供一种安全的方式来交换信息，而无需事先共享密钥。这种加密方式的技术原理具有一 定的不同性，往往是选择一组不同而且配对的钥匙做到加密和解密，人员在使用过程中，可以发现这种加密方式比较复杂，安全系数整体较高。在工业控制系统（ICS）中，非对称加密技术用于确保数据传输的安全性，防止未授权访问和数据泄露。通过使用非对称加密，即使数据在传输过程中被拦截，没有私钥的第三方也无法解密这些信息，从而保护了信息的机密性。此技术的另一个应用是数字签名，它确保了信息的完整性和来源的认证。发送方使用其私钥对信息进行签名，接收方则可以使用发送方的公钥来验证该签名。这个过程不仅证实了信息未被篡改，也确认了信息确实来自于声明的发送者。非对称加密的常见算法包括RSA、DSA和ECC。每种算法都有其独特的特点和应用场景，但它们共同提供了一种强大的机制，用于保护工业控制系统中传输和存储的敏感信息免遭未授权访问。

二、工业控制系统中的访问控制机制

（一）认证与授权

认证与授权在工业控制系统中起着至关重要的角色，确保只有合法用户能够访问系统资源并执行操作。这些机制通过多种方式实现，包括用户名/密码方案、多因素认证（MFA）、角色基础访问控制（RBAC）和属性基访问控制（ABAC）。用户名和密码方案是最基本的认证形式，要求用户输入唯一标识符和相应密码以验证身份。尽管这种方法简单易行，但由于密码可能被猜测或泄露，其安全性受到质疑。因此，许多系统采用更为安全的多因素认证（MFA）策略。MFA要求用户提供两种或以上的验证因素，这些因素通常分为“知识”（用户知道的东西，如密码）、“占有”（用户拥有的东西，如手机）和“生物特征”（用户本人的特征，如指纹）。通过结合使用这些因素，MFA大大增强了认证的安全性。角色基础访问控制（RBAC）是一种权限管理方法，它根据用户的角色来分配系统访问权限。在RBAC模型中，访问权限与特定角色关联，而不是单个用户，从而简化了权限管理。当用户被分配到一个角色时，他们自动获得该角色的所有权限，使得管理变得更加高效和可控。属性基访问控制（ABAC）则提供了更为灵活的访问控制机制，允许基于用户、资源和环境属性来动态地控制访问权限。ABAC能够实现细粒度的访问控制，支持复杂的授权策略，包括但不限于用户的部门、地理位置以及访问时间等因素。通过结合使用这些认证与授权机制，工业控制系统能够确保数据和操作的安全，防止未授权访问，并确保只有拥有适当权限的用户才能访问敏感资源和执行关键操作。

（二）物理与逻辑访问控制

物理与逻辑访问控制是维护工业控制系统（ICS）安全的关键组成部分，旨在限制对系统物理设施和信息资源的访问。物理访问控制专注于防止未经授权的个人进入关键设施，如数据中心、服务器房或任何存放关键硬件的地方。这通常通过门禁系统、监控摄像头、警报系统以及安全人员的现场守卫等措施实现。通过确保只有持有适当凭证的人员能够进入这些区域，物理访问控制帮助防止信息泄露、数据篡改和设备损坏。逻辑访问控制，另一方面，关注的是保护对电子信息和系统的访问。这涵盖了对网络、数据库、应用程序等的访问限制，确保只有经过授权的用户才能访问敏感数据和关键系统功能。逻辑访问控制的实现手段包括但不限于密码保护、加密、虚拟私人网络（VPN）、防火墙以及入侵检测系统。通过对数据访问进行精细控制，逻辑访问控制确保信息安全，防止数据泄露和未授权访问。结合使用物理和逻辑访问控制策略，可以为工业控制系统提供全面的安全保护。物理访问控制确保实体设备的安全，防止非法物理接触，而逻辑访问控制保护系统内部的数据和资源，确保只有合适的个体能够访问和操作系统。

三、案例研究

某国有企业是一家大型工业生产企业，其生产数据是企业的核心资产，涉及生产工艺、产品质量、设备运行状态等敏感信息，如果被恶意获取或篡改，将对企业的生产安全、经济效益和市场竞争力造成严重影响。为了保障生产数据的安全，在工业控制系统中采用了数据加密和访问控制的技术方案，具体如下：①在工业控制系统中使用了基于国密算法的数据加密技术，对生产数据进行端到端的加密保护。在数据采集端，采用了国密算法SM4对采集到的数据进行对称加密，生成密文数据；在数据传输端，采用了国密算法SM2和SM3对数据进行非对称加密和数字签名，实现了数据的完整性和不可否认性的验证；在数据存储端，采用了国密算法SM4对数据进行对称解密，还原出明文数据，并进行数据分析和展示。②在工业控制系统中使用了基于属性的访问控制（ABAC）技术，对生产数据的访问进行了细粒度的控制。在数据访问控制平台上，根据数据的分类分级、用户的身份属性、访问的环境条件等因素，配置了一系列的访问控制策略，动态地决定用户对数据的访问权限和操作权限。例如，只有具有特定角色和权限的用户，才能在特定的时间和地点，访问特定的数据，并进行特定的操作，如查询、修改、删除等。同时，平台还记录了用户的访问行为和操作日志，便于进行数据安全的审计和监控。

通过采用数据加密和访问控制的技术方案，该企业有效地提高了工业控制系统中的生产数据的安全性，防止了数据的泄露、篡改和滥用，保障了企业的生产安全和经营利益。

四、结语

早期的工业控制系统都是运行在相对独立的网络环境下，比较重视功能性和稳定性，因此对安全性考虑不足。如今，工业控制系统逐渐向工业互联网平台的方向发展和转变，与物联网、互联网呈现出深度融合的态势，智能化、信息化程度得到大幅提升。但这也导致通过互联网对工业控制系统进行攻击的可能性越来越高，工业互联网的安全隐患愈加严重。本文综合探讨了工业控制系统中数据加密与访问控制机制的应用及其重要性。通过对对称加密、非对称加密技术的分析，以及认证与授权、物理与逻辑访问控制策略的讨论，突显了在维护信息安全和系统完整性方面这些技术的关键作用。

参考文献：

[1]赵东东.基于CP-ABE的工业控制系统加密传输方案[J].计算机技术与发展,2022,32(10):94-99.

[2]麦欢怡,黄晓弟.等保2.0下5G+工业控制系统的安全防护研究[J].电信快报,2022(7):64-65.