网络物理系统安全之​横切安全性之防止攻击

保护CPS的第一步是识别这些系统可能存在的风险，然后确定如何通过深度防御方法解决这些风险的优先级。风险评估包括识别CPS中的资产[74]，了解其安全风险，并实施对策以将风险降低到可接受的水平[13，75，76，77，78].渗透测试可能是了解系统风险级别的最常见方法，可用于设计漏洞管理和修补策略。供应链也是另一个风险因素，在风险管理与治理CyBOK知识领域[79]中进一步讨论。

CPS中的一个新领域是识别执行器或传感器，如果它们受到损害，它们为攻击者提供CPS的最大可控性[80，30，81，82，83]，然后优先保护这些设备。

识别风险后，一般的纵深防御方法包括预防、检测和缓解机制。在本节中，我们将介绍用于防止、检测和缓解攻击的跨领域安全工作，下一节将介绍特定的CPS域，例如电网以及智能交通系统。本节分为三个部分：（1）防止攻击（第2.1节），（2）检测攻击（第2.2节）和（3）缓解攻击（第2.3节）。

2.1 防止攻击

保护第一个基于计算机的控制系统的经典方法是将它们与互联网和资产所有者的公司网络隔离。随着业务实践的变化，以及效率原因使控制系统与其他信息技术网络之间的互连越来越多，子网络区域隔离的概念被几个CPS行业采用，尤其是在核能领域。能源部门。这种网络隔离通常是在防火墙和数据二极管的帮助下实现的[84]。

另一方面，有几种方法可以打破气隙，包括内部攻击，或通过移动设备向网络添加新连接。因此，为了防止现代CPS中的攻击，设计人员和开发人员必须遵循与传统IT系统相同的最佳安全实践;即，他们需要遵循一个安全的开发生命周期，以最大限度地减少软件漏洞，实施访问控制机制，并提供强大的加密保护以及安全密钥管理系统[85]。

虽然经典IT系统的最佳安全实践可以为控制系统的安全性提供必要的机制，但仅靠这些机制不足以进行深入防御。的CPS。在本节中，我们将讨论如何通过了解CPS系统与物理世界的相互作用，我们应该能够

1. 更好地了解攻击的后果。

2. 设计新颖的攻击检测算法。

3. 设计新的攻击弹性算法和架构。

在本小节的其余部分，我们将重点说明在CPS中实施经典IT安全最佳实践所面临的挑战，包括多个CPS由遗留系统组成，由嵌入式设备操作资源有限，并面临模拟攻击等新漏洞。

保护遗留系统：CPS设备的生命周期可能比常规计算服务器、台式机或移动系统大一个数量级。消费者希望他们的汽车比笔记本电脑使用寿命更长，医院希望医疗设备可以使用十年以上，大多数工业控制系统的资产至少可以使用25年[86]，并且这些设备中的大多数在完全折旧之前不会更换。其中一些设备的设计和部署假设不再存在的受信任环境。此外，即使这些设备当时部署了安全机制，最终也会出现新的漏洞，如果制造商不再支持这些设备，然后它们不会被修补。例如，在发现Heartbleed漏洞后，主要制造商推动更新以缓解此问题;但是大多数监视或控制物理世界的嵌入式设备不会被修补（修补一些安全关键系统甚至可能违反其安全认证）。因此，即使供应商最初使用OpenSSL在CPS设备之间创建安全通信通道，他们也需要考虑长期支持该设备。

因此，为了防止CPS中的攻击，我们必须处理（1）设计可以不断更新安全性的系统，以及（2）为现有的遗留系统改造安全解决方案[87]。

某些设备无法使用这些新的安全标准进行更新，因此为传统网络增加安全性的一种流行方法是添加在线碰撞[88]。通常，线路碰撞是一种网络设备，用于为旧设备之间交换的网络数据包添加完整性、身份验证和机密性。因此，传统设备发送未加密和未经身份验证的数据包，网络设备将通过安全通道将它们隧道传输到通信通道另一端的另一个在线碰撞系统，然后删除安全保护并将不安全的数据包提供给最终目的地。请注意，线路碰撞只能保护系统免受网络上不受信任方的侵害，但如果端点受到损害，则线路碰撞将无效。

对于植入式医疗设备等无线设备，也提出了类似的概念。由于其中一些无线设备通过不安全的通道进行通信，因此攻击者可以侦听或注入恶意数据包。为了防止这种情况，可以在易受攻击的设备附近使用无线屏蔽[89]。无线防护板将干扰与易受攻击设备的任何通信尝试，但来自防护板所有者授权的设备除外。无线屏蔽也被用于其他领域，例如保护使用BLE设备的消费者的隐私[90]。由于其破坏性，目前尚不清楚无线屏蔽是否会在消费类应用中找到实际应用。

轻量级安全性：虽然一些嵌入式设备支持经典加密，但对于某些设备，加密算法在能耗或延迟方面的性能可能不被接受[91]。对于对称密码学，NIST计划对轻量级加密算法组合进行标准化[92]，而当前CAESAR对认证加密标准的竞争正在评估其在资源受限设备中提交的性能[93]。对于公钥算法，椭圆曲线加密通常提供性能和安全保证的最佳平衡，但根据系统的要求，其他轻量级公钥算法可能更合适[94]。在漏洞利用缓解方面，解决方案不太清楚。