近年來,我國(guó)軌道交通的發(fā)展取得了舉世矚目的成就,在國(guó)家創(chuàng)新型建設(shè)中取得重大突破。我國(guó)軌道交通在線路規(guī)模、列車數(shù)量、運(yùn)行里程等方面均排名世界第一。
長(zhǎng)期以來,基于列車軌旁/車載相關(guān)系統(tǒng)的安全性研究大多圍繞系統(tǒng)的安全可靠(safety)進(jìn)行,大多數(shù)人認(rèn)為軌旁/車載系統(tǒng)作為專有網(wǎng)絡(luò),不存在外界入侵和網(wǎng)絡(luò)病毒傳播的問題。
然而,隨著新型病毒(如專門針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的“震網(wǎng)病毒”)和新攻擊手段(如ATP攻擊)的出現(xiàn)以及與其他系統(tǒng)的接口(PIS、PA等),再加上自身系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)共享和大容量數(shù)據(jù)通信的迫切需求,使系統(tǒng)對(duì)外界具有了前所未有的開放性,任何災(zāi)害的發(fā)生都可能引起較大的人員和經(jīng)濟(jì)損失,甚至帶來長(zhǎng)期、深遠(yuǎn)的影響。
如何有效地提高實(shí)時(shí)信息獲取率,在實(shí)現(xiàn)信息共享的同時(shí)全局、全方位保障軌道交通的正常安全運(yùn)營(yíng),已成為軌道交通發(fā)展過程中迫切需要解決的難題。
本文主要對(duì)軌道交通車載網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系設(shè)計(jì)進(jìn)行論述,以GB/T 22239—2019《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》為基礎(chǔ),結(jié)合軌道交通車載網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),量身打造以“白名單”為技術(shù)理念、以“一個(gè)中心,三重防護(hù)”為基礎(chǔ)的“分區(qū)分域,對(duì)外隔離,對(duì)內(nèi)認(rèn)證,內(nèi)外審計(jì),監(jiān)管感知”的縱深車載網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。
在車載通信網(wǎng)絡(luò)研制的早期階段,車載通信網(wǎng)絡(luò)與列車控制系統(tǒng)是相互獨(dú)立的,而隨著車載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)其可靠性的要求越來越高,其功能也在不斷地加強(qiáng)。目前的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心,將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、設(shè)備故障診斷技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起。通過網(wǎng)絡(luò)將命令傳送到各個(gè)車廂,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)列車的控制。
圖1 TCMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
軌道交通車載網(wǎng)絡(luò)由控制網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、旅客信息網(wǎng)絡(luò)及其他專有網(wǎng)絡(luò)等組成。這些網(wǎng)絡(luò)連接著車載的各類控制設(shè)備、信號(hào)設(shè)備及其他設(shè)備(如廣播、顯示器、空調(diào)、燈光等),負(fù)責(zé)向這些設(shè)備傳輸各類指令,相當(dāng)于列車的“神經(jīng)系統(tǒng)”,其能否正常工作關(guān)系到列車能否正常運(yùn)行。
其中,列車控制和管理系統(tǒng)(train control and management system, TCMS)是列車車載系統(tǒng)中關(guān)鍵的系統(tǒng)之一,對(duì)其安全性有極高的要求,其設(shè)備主要包含ECNN、EGWM、IOM、EVCM-R、HMI設(shè)備及配套電纜,陪試設(shè)備包含模擬用EGWM、EVCM-R、IOM模塊和PIS、OCS設(shè)備。
基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無疑給我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展帶來了巨大的好處,但以太網(wǎng)形式的使用,給車載通信網(wǎng)絡(luò)帶來了更多的基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的安全風(fēng)險(xiǎn)。而軌道交通控制網(wǎng)絡(luò)屬于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),與一般的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)有著較大的區(qū)別。
因此,基于以太網(wǎng)的列車TCMS系統(tǒng)的安全防護(hù)體系需具備自身網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境、物理環(huán)境的特點(diǎn),進(jìn)行具有針對(duì)性的安全策略論證、安全模型設(shè)計(jì)和安全產(chǎn)品研發(fā),建立并健全基于以太網(wǎng)的列車TCMS系統(tǒng)安全防護(hù)體系,通過實(shí)施統(tǒng)一的安全策略,確保重要系統(tǒng)免受黑客、病毒、惡意代碼等的侵害,特別是能夠抵御來自外部有組織的團(tuán)體、擁有豐富資源的威脅源發(fā)起的惡意攻擊,并能在系統(tǒng)遭到損害后迅速恢復(fù)主要功能,確保列車控制系統(tǒng)中各功能模塊功能的有效性和列車穩(wěn)定的運(yùn)行。
1.1 分區(qū)分域
分區(qū)分域即結(jié)合業(yè)務(wù)需求對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域劃分。由于列車網(wǎng)絡(luò)具有惟一對(duì)外接口,采用無線方式與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,所以在劃分安全域時(shí)劃分2個(gè)安全域+1個(gè)蜜網(wǎng)安全域。2個(gè)安全域?yàn)榱熊噧?nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)區(qū)域:內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)為全部車載網(wǎng)絡(luò),由受保護(hù)的車載設(shè)備組成;外部網(wǎng)絡(luò)為不受信任區(qū)域,可以是部分車載網(wǎng)絡(luò)或地面公共網(wǎng)絡(luò)。
1個(gè)蜜網(wǎng)安全域?yàn)檐囕d控制系統(tǒng)蜜罐主機(jī)群組,介于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的緩沖地帶,提供收集入侵者信息的功能,根據(jù)大量算法,對(duì)惡意構(gòu)造的代碼(如shellcode、xss、跨站腳本、SQL語句、一句話、加密密碼等)進(jìn)行解密(如暴力破解、常用算法、跑碼等),還原原始攻擊代碼并記錄算法,進(jìn)行惡意代碼分類。再根據(jù)收集、分析、整理后的信息,利用多種技術(shù)(如爬蟲、社工、搜索引擎等)追蹤入侵者,借助機(jī)器學(xué)習(xí)、爬蟲、人工分析等方法,對(duì)攻擊相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行溯源,查找犯罪人員,有效打擊黑客活動(dòng)。
1.2 對(duì)外隔離
對(duì)外隔離是將列車網(wǎng)絡(luò)與外部其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離防護(hù),確保列車網(wǎng)絡(luò)不受到外界網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的干擾,具有防范已知、未知攻擊的能力。在此,設(shè)計(jì)了一套基于以太網(wǎng)的車載控制網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備,安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備形態(tài)結(jié)合車載設(shè)備運(yùn)行環(huán)境而設(shè)計(jì),采用板卡的形式,以適應(yīng)車載物理運(yùn)行環(huán)境。車載控制網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備外形示意圖如圖2所示。
圖2 車載控制網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備外形示意圖
車載控制網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備通過基于狀態(tài)檢測(cè)的訪問控制功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的非法訪問等行為進(jìn)行控制,在一定程度上解決了非法訪問的問題。但僅僅控制網(wǎng)絡(luò)級(jí)的訪問是不夠的,所以在此設(shè)備上開啟建立應(yīng)用層協(xié)議“白名單”的功能,通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式自動(dòng)完成車載控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信協(xié)議(如TRDP等)的深度解析,同時(shí)根據(jù)功能碼和時(shí)間戳形成邊界的訪問控制“白環(huán)境”,符合規(guī)約中的功能碼特征和數(shù)據(jù)發(fā)送接收時(shí)間周期的數(shù)據(jù)包才可以通過,保證了在區(qū)域之間網(wǎng)絡(luò)邊界處只有可信任的設(shè)備方可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。
車載控制網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備的軟件功能和硬件設(shè)計(jì)均需達(dá)到以下車載設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。
城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信延遲和抖動(dòng)的要求非常高,要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備尤其是串聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在完成數(shù)據(jù)包深度解析的前提下,依然保持較低的網(wǎng)絡(luò)延遲。該網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)常規(guī)延遲為60◆s,滿配策略下低于100◆s。
1.3 對(duì)內(nèi)認(rèn)證
對(duì)接入列車網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備,要求設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行基于802.1x協(xié)議的身份認(rèn)證,通過身份認(rèn)證的設(shè)備才被允許接入網(wǎng)絡(luò),對(duì)不同的設(shè)備給出其網(wǎng)絡(luò)行為的權(quán)限表,避免設(shè)備異常時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成干擾。在此,設(shè)計(jì)了基于IEEE 802.1x協(xié)議的安全接入認(rèn)證機(jī)制,其系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 802.lx系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)圖
1.4 內(nèi)外審計(jì)
審計(jì)是非常關(guān)鍵的安全環(huán)節(jié),它可以有效地記錄安全事件。內(nèi)外審計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容,第1部分是靜態(tài)的日志審計(jì)分析,第2部分是動(dòng)態(tài)的流量審計(jì)分析。最終將這兩個(gè)部分相結(jié)合,通過多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)對(duì)整體日志進(jìn)行分析。此環(huán)節(jié)能夠有效地分析和判斷列車網(wǎng)絡(luò)的安全狀態(tài)。
圖4 多源數(shù)據(jù)融合處理分析技術(shù)邏輯結(jié)構(gòu)圖
1)靜態(tài)的日志審計(jì)分析
靜態(tài)的日志審計(jì)分析以安全設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)日志、配置信息、流量信息、運(yùn)行信息等為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),通過梳理各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流及其內(nèi)在數(shù)據(jù)傳導(dǎo)機(jī)制,以統(tǒng)一安全日志的格式,將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的分析匯總,提取關(guān)鍵信息,去除冗余信息,提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)展示平臺(tái)接口。通過該數(shù)據(jù)接口,構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合模型。靜態(tài)日志審計(jì)界面如圖5所示。
2)動(dòng)態(tài)的流量審計(jì)分析
對(duì)TCMS系統(tǒng)協(xié)議的通信報(bào)文進(jìn)行深度解析(deep packet inspection, DPI),根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)中流量的協(xié)議、行為、周期等要素形成安全通信網(wǎng)絡(luò)基線模型,依據(jù)該基線模型,實(shí)時(shí)檢測(cè)針對(duì)TCMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊、用戶誤操作、用戶違規(guī)操作、非法設(shè)備接入以及蠕蟲、病毒等惡意軟件的傳播,并實(shí)時(shí)報(bào)警,能夠有效檢測(cè)已知、未知的安全威脅,詳實(shí)記錄一切網(wǎng)絡(luò)通信行為,包括指令級(jí)的TCMS系統(tǒng)通信記錄,為TCMS系統(tǒng)的安全事件調(diào)查提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)流量審計(jì)界面如圖6所示。
圖5 靜態(tài)日志審計(jì)界面圖
圖6 動(dòng)態(tài)流量審計(jì)界面圖
1.5 監(jiān)管感知
在2019年5月13日正式發(fā)布的GB/T 22239—2019《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》,著重將安全管理中心形成獨(dú)立章節(jié),可見安全管理中心的重要性。在打造列車網(wǎng)絡(luò)安全體系中,在地面建立安全管理中心系統(tǒng),其邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。
該系統(tǒng)是對(duì)車載控制系統(tǒng)安全防護(hù)體系的有效支撐,是整個(gè)安全防護(hù)體系的神經(jīng)中樞。管理員通過安全管理平臺(tái)制定安全策略,對(duì)車載安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)設(shè)備、車載網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行策略,從而確保整個(gè)車載控制系統(tǒng)及時(shí)有效地執(zhí)行統(tǒng)一的安全策略,實(shí)現(xiàn)所有安全機(jī)制的統(tǒng)一集中管理。
安全管理系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng)。這3個(gè)子系統(tǒng)分別是系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、安全管理子系統(tǒng)和審計(jì)管理子系統(tǒng)。這3個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的劃分嚴(yán)格參考等級(jí)保護(hù)的“三權(quán)分立”模式設(shè)計(jì)的3個(gè)管理員角色。
圖7 地面安全管理中心系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖
在車載控制網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系建設(shè)中,車載安全網(wǎng)關(guān)防護(hù)和車載網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)審計(jì)等設(shè)備,針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)安全問題從多個(gè)側(cè)面對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況進(jìn)行描述,產(chǎn)生的告警數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息能夠基本囊括網(wǎng)絡(luò)全方位信息。
但這些來自于不同車載網(wǎng)絡(luò)的告警數(shù)據(jù),是相對(duì)孤立和片面的,無法有效地對(duì)軌道交通控制網(wǎng)絡(luò)安全宏觀態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,所以在設(shè)計(jì)時(shí)將針對(duì)基于車載控制系統(tǒng)基礎(chǔ)安全建設(shè)采集的配置信息和運(yùn)行信息進(jìn)行研究,同時(shí)將多源信息放到統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行分析處理,將分析結(jié)果作為短期評(píng)估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
在進(jìn)行中長(zhǎng)期評(píng)估時(shí),首先將全部引入短期評(píng)估數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上加入更多的靜態(tài)指標(biāo)和全局指標(biāo),對(duì)城市軌道從地面網(wǎng)絡(luò)到車載網(wǎng)絡(luò)形成整體的、縱深的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)全方位評(píng)分。
其中,配置信息是指車載控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、車載控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置、車載設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)漏洞情況等;運(yùn)行信息是指車載控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所受動(dòng)態(tài)攻擊的情況,主要來自于車載網(wǎng)絡(luò)中的流量信息、相關(guān)車載設(shè)備和安全設(shè)備的日志信息等。通過計(jì)算攻擊者攻擊成果所需付出的代價(jià),以定量的方式計(jì)算系統(tǒng)的安全情況,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果形成“車載控制網(wǎng)絡(luò)安全模型”,最終給出車載控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全的演化圖。
軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),包含眾多的子系統(tǒng),各子系統(tǒng)之間通過不同的接口規(guī)范進(jìn)行信息交互,從而相互配合完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程。由于系統(tǒng)的龐大與復(fù)雜性,系統(tǒng)外部、子系統(tǒng)內(nèi)部以及各子系統(tǒng)之間都可能存在安全薄弱環(huán)節(jié)而導(dǎo)致威脅的產(chǎn)生。通過建立完善的安全防護(hù)系統(tǒng),可最大化地發(fā)現(xiàn)問題并防御網(wǎng)絡(luò)攻擊,從而保障軌道交通的安全運(yùn)行。