容忍入侵的工业控制系统信息安全防护的基础理论与关键技术

Information security of industrial control systems is tied to national security and social stability. A series of industrial control systems security accidents caused by cyber attacks happended in recent years, so the research on information security of industrial control systems is desperately required. Aiming at the difficult problems of information security protection and risk control in industrial control systems under attack, this research constructs a protection architecture of information security and proposes a structure of risk control at different granularity level( risk, state and time) with the consideration of function, structure and operation characteristics of industrial control systems and the idea of defense-in-depth, dynamic defense and risk control. The theory of real-time close-loop control of “intrusion detection - security decision - intrusion response” in the process of system protection is studied from the perspective of system theory and control theory. Abnormal intrusion detection and attack recognition are conducted using the multi-domain model based on ontology. After an attack-defense game model is provided based on cost-benefit quantization, the theory of security decision and optimization with multiple constraints will be studied. Resilient real-time close-loop control of information security protection is realized by means of an integrated task scheduling with security awareness. This research tries to construct a complete protection architecture of information security and make innovative achievements in relevant basic theories and key technologies, which provide a scientific basis for network security and informatization of industrial control systems.

工业控制系统信息安全关系到国家安全和社会稳定。近年来，由网络攻击导致的工业控制系统安全事故频繁发生，工业控制系统信息安全防护研究迫在眉睫。项目针对工业控制系统遭到入侵攻击时的系统运行安全防护和动态风险控制等难点问题，结合其功能、结构和运行特点，以深度防御、动态防御以及风险安全控制的思想，构建信息安全防护体系，提出基于风险、状态和时间等不同粒度的风险控制结构；从系统和控制的角度，研究系统防护过程中的“入侵检测-安全决策-入侵反应执行”的实时闭环控制理论。基于本体论的多域模型，进行异常入侵检测及攻击辨识；基于成本收益量化建立攻防博弈模型，完成基于风险的多约束安全策略决策及优化；采用信息安全感知一体化调度方法，实现信息安全防护的弹性闭环实时控制。通过课题的研究，力图构建完备的工业控制系统信息安全防护体系，并在相关基础理论和关键技术取得突破，为保障工业控制系统的网络安全与信息化提供科学依据。

本课题根据工业控制系统的信息安全防护需求和功能结构特点，致力于容忍入侵的工业控制系统信息安全防护基础理论与关键技术的研究。课题组按照项目计划书预定的目标与要求，历经5年的探索研究，圆满完成了项目的各项研究任务，并开展实验验证和工程应用工作。主要研究进展与成果如下：总结工业控制系统特点，研究工业控制系统全生命周期的主要阶段需求，提出多种安全需求及系统功能性需求的分析和协调方法，以及容忍入侵的纵深防御体系结构和控制框架。研究基于本体论的系统建模方法，综合攻击知识和系统模型知识，提出针对不同类型攻击的入侵攻击检测方法。在此基础上，研究入侵攻击的传播进化机制，提出基于贝叶斯网的安全态势感知及动态风险评估方法。结合行业风险管理要求，考虑系统生产、安全与经济等目标，提出了成本敏感的兼顾多种约束的系统策略调整及优化方法。继而，研究并给出了安全策略的形式化表示及解释方法，提出了实时任务功能安全与信息安全协调控制方法与统一调度算法，实现对入侵攻击的实时闭环控制。项目组研制了全实物、半实物等多套信息安全实验验证及演示平台，验证和演示了相关研究成果。另一方面，将部分研究成果积极应用于相关国防项目与行业科技攻关项目，开展了具体的工程实践应用，取得了一定的经济效益。项目执行期间，培养了多名博士研究生和众多的硕士研究生，为相关企事业单位输送了优秀人才。发表54篇高水平学术论文，其中包括SCI期刊论文34篇（IEEE trans. 长文15篇）。获授权国家发明专利15项，获批软件著作权7项，牵头制定了关于工业控制系统信息安全的国家标准4项、参与3项，研制了三种行业的工业控制系统信息安全防护验证演示平台。研究成果发展和完善工业控制系统安全设计理论，对于高安全工业控制系统的开发和工程实践有重要意义，为保障工业关键基础设施的安全稳定运行提供科学依据。