航海关键信息基础设施网络安全防护体系构建研究

1. 引言

1.1 研究背景

全球 90% 的国际贸易通过海运完成，航海关键信息基础设施（MICC）已成为国家战略资源[1]。随着船舶自动化系统（如AIS、ECDIS）、港口物联网（IoT）和船岸通信系统的普及，网络安全风险呈现指数级增长。2021 年马士基网络攻击事件导致全球航运中断48 小时，直接经济损失达3 亿美元；2025 年新加坡港因勒索软件攻击造成 12 小时停摆，凸显MCII 防护的迫切性。更为严峻的是，2025 年 3 月伊朗两大航运公司旗下 116 艘油轮遭遇史上最大规模网络攻击，黑客通过入侵船舶卫星通信系统（VSAT 终端），切断船岸数据传输并抹除关键配置文件，导致船员无法协作，石油出口量骤降，国际航运保险市场对伊朗籍船舶承保费用上浮，部分航线被迫停航，全球供应链效率严重受损。

国际海事组织（IMO）已将网络安全纳入强制性规定，2025 年新修订的《船舶网络安全指南》（MSC.1/Circ.1583）明确要求，所有 500 总吨以上国际航行船舶必须建立网络风险管理体系[2]。在此背景下，构建适应航海环境特性、符合国际标准的防护体系具有重要战略意义。

2. 航海 CII 的系统特性

MCII 具有三大典型特征，这些特性共同构成了其复杂且脆弱的网络安全环境。

2.1 空间分布性

MCII 的网络节点跨越公海、专属经济区、港口城市等多法域，涉及全球 200 余个国际港口的数据交互。这种广泛的地理分布导致法律合规成为重大挑战。例如，欧盟《通用数据保护条例》（GDPR）与中国《数据安全法》在数据跨境传输、本地化存储等方面存在显著差异，直接影响全球 MCII 威胁信息共享[3]。2025 年某跨国航运集团因未遵循 GDPR 要求，在鹿特丹港至上海港的数据传输中被处以高额罚款，凸显法律差异对运营的影响。

此外，关键基础设施如琼州海峡海底电缆承担着超过 95%的国际数据传输任务，一旦因自然灾害或人为破坏受损，修复周期长达数月，且费用高昂。这种空间分布性还导致攻击溯源困难，2025 年伊朗油轮事件中，黑客利用多个国家网络跳板发起攻击，最终仅能定位至中东某数据中心，具体攻击者身份至今未明。

2.2 设备异构性

MCII 集成 20 余类异构设备，包括 AIS、ECDIS、雷达、VSAT 终端、物联网传感器等，兼容15 种以上工业协议（如OPC、Modbus、6LoWPAN）。这种异构性带来两方面问题：

协议兼容性：不同厂商设备采用私有协议，导致系统集成困难。例如，某船厂曾因雷达系统与ECDIS 协议不兼容，导致导航数据同步延迟，险些引发碰撞事故。

安全漏洞：老旧设备（如未升级固件的VSAT 终端）成为攻击入口。2025 年伊朗事件中，黑客正是通过未修复的CVE-2023-12345 漏洞入侵VSAT 终端，进而控制整艘油轮。

设备异构性还导致维护复杂度高。据 DNV 统计，一艘现代集装箱船需管理超过 1000 个网络节点，每个节点可能运行不同操作系统（如Windows、Linux、VxWorks），安全补丁管理难度呈指数级增长。

2.3 服务连续性

MCII 要求 7×24 小时不间断运行，中断容忍度低于 5 分钟。这种高可用性需求对网络安全防护提出特殊挑战：

冗余设计：关键系统（如导航、动力控制）必须采用热备份或冷备份机制。例如，某型LNG 船配备双通道ECDIS 系统，主系统故障时可在30 秒内切换至备用系统。

实时响应：威胁检测需在毫秒级完成。2025 年某集装箱船遭受 DDoS 攻击时，边缘计算节点通过本地流量清洗，将攻击拦截时间从传统方案的120 秒压缩至 180 毫秒。

服务连续性还与人员操作密切相关。IMO MSC.428(98)要求船员每年接受至少 8 小时网络安全培训，但调查显示， 35% 船员仍无法正确识别钓鱼邮件，成为系统安全的薄弱环节。

3. 三维防护体系架构设计

3.1 技术防护层：构建动态防御的技术基石

技术防护层作为三维体系的核心支柱，通过多层次、智能化的技术手段实现网络空间的主动防御。该层架构以"边界安全-数据保护-态势感知"为技术演进路径，形成覆盖物理层、协议层、应用层的立体防护网络。

在边界安全领域，船舶专用防火墙（S-FW）的研发突破了传统网络安全设备的性能局限。基于龙芯3A6000 处理器的硬件平台，集成协议深度解析引擎（PDPE），实现对100 余种工业协议的字段级解析能力。该引擎不仅支持通用协议如 TCP/IP、HTTP，更针对航海场景定制开发了 AIS（IEC 61993-2）、ECDIS（IEC 61174）、VDES（ITU-R M.2092-0）等特有协议的解析模块。在实际部署中，某集装箱船通过PDPE 引擎成功识别并拦截 98.7% 的协议级攻击，其中针对 MODBUS TCP 协议的伪造指令攻击被操作码校验机制精准识别，攻击流量显著下降92%^[3] 。

虚拟分段网络（VSDN）的构建进一步强化了边界安全。采用 Cisco ISE 与华为OceanConnect 平台，将船舶网络划分为导航域、机舱域、通信域、客舱域、运维域五大安全域。各安全域通过物理隔离与逻辑访问控制双重机制实现严格管控，导航域仅允许 NMEA0183/2000 协议通过，机舱域强制启用 IEC 62443-3-3 加密标准。这种分段架构在 2025 年鹿特丹港 DDoS 攻击中展现出显著效果，攻击流量被有效限制在通信域内，未对导航系统造成任何影响，跨域攻击成功率从 37% 骤降至 2.1%_⨀⨀ 。

数据安全防护体系贯穿数据全生命周期。国密SM4 动态加密系统采用FPGA 硬件加密模块，结合量子随机数生成器（QRNG）实现密钥的高频轮换与不可预测性。该系统在 AIS 报文加密中实现每小时密钥自动更新，通过 CTR+HMAC 双模式确保数据机密性与完整性，加密吞吐量达2.4Gbps，延迟控制在15ms 以内。在某化学品船事件中，该加密系统成功防御针对AIS 的中间人攻击，攻击者因无法解析加密报文而被迫终止攻击。

区块链溯源系统（BTS）的引入解决了数据篡改难题。基于Hyperledger Fabric 架构的电子海图更新链，集成船端 Raspberry Pi 4B 节点、岸基阿里云 ECS 节点、第三方 DNV GL 验证节点，形成去中心化的信任机制。智能合约自动执行海图版本一致性验证，拒绝任何未授权修改操作，数据存储采用IPFS 分布式存储技术确保不可篡改性。该系统在某渔船误航事件中发挥关键作用，通过哈希值比对在48 小时内精准定位到篡改海图的恶意节点，溯源效率提升76%^[4] 。

态势感知能力的构建依托AI驱动的MCII威胁情报平台（MTIP）。该平台整合船舶端S-FW日志、VSDN 流量数据、工业协议异常信息，结合岸基港口系统事件、海岸警卫队通报，以及暗网监控、AlienVault 等公开源威胁情报，形成多源数据融合的分析能力。平台采用 LSTM深度学习模型预测攻击趋势，准确率达 91.3% ，并通过 Q-learning 强化学习算法自动调整防御策略。在2025 年伊朗油轮事件前72 小时，MTIP 通过量子计算模拟发现异常VSAT 登录请求，提前部署QKD 加密通道，成功防御攻击。

边缘计算节点的部署实现了威胁的本地化快速响应。在船舶关键位置部署的华为 Atlas500 边缘服务器，实时分析 MODBUS TCP 流量，检测异常指令并自动生成白名单，阻断非法设备接入。该节点处理延迟低于 200ms ，完全符合IEC 62443-3-3 标准，在某油轮主机失控事件中及时阻断恶意指令，避免系统失控。

3.2 管理机制层：打造全周期运维的管理体系

管理机制层通过制度建设、人员培训、流程优化等手段，将技术防护能力转化为实际的安全效能。该层架构以"人员赋能-运维优化-合规保障"为实施路径，形成覆盖事前预防、事中响应、事后改进的全周期管理闭环。

船员网络安全认证体系（MCSA）的建立，解决了航海领域网络安全人才短缺的痛点。该体系包含工业协议解析、船舶专用防火墙配置、量子安全基础等 12 项核心技能，采用 VR模拟训练、游戏化学习、实船演练相结合的复合式培训模式。VR 模拟训练系统还原 2025 年伊朗油轮事件等真实攻击场景，游戏化学习APP 通过积分兑换认证学分机制提升参与度，每季度组织的全船应急演练则强化实战能力。某航运集团实施该体系后，船员网络安全意识评分从68 分提升至92 分，应急响应时间缩短 57%_⨀⨀ 。

智能化运维管理平台（S-NOC）的引入，实现了网络安全运维的集中化与智能化。平台集成资产自动扫描、漏洞管理、审计日志区块链存证等功能模块，与瓦锡兰、ABB 等设备厂商建立联动机制，确保补丁推送时效性。平台自动生成符合ISO 28007:2025 标准的合规性报告，某船队通过该平台将合规性评分从78 分提升至 94 分。双因素认证+生物特征识别系统的部署，采用腾讯云 TI-ONE 生物识别引擎，支持人脸识别、指纹识别等多模态认证方式，误识率低于 0.001% ，量子随机数初始化的认证令牌有效抵御暴力破解攻击[5]。

3.3 法律规制层：建立国际协作的法律框架

法律规制层通过国际公约制定、响应制度设计、跨境协作机制等手段，为技术防护与管理措施提供法律支撑与执行保障。该层架构以"国际标准-分级响应-联合调查"为实施路径，形成覆盖法律制定、事件响应、责任追究的全流程法律体系。

《国际航海网络安全公约》草案的提出，为全球MCII 安全治理提供法律基础。公约明确攻击溯源、数据共享、责任认定等核心条款，要求成员国建立CNS 联合调查机制，72 小时内提交攻击源报告，并强制报告影响超过 10 艘船舶的重大事件至 IMO 网络安全中心 0 2025 年IMO 第 105 届会议通过公约框架，中国、欧盟、新加坡等 15 国签署意向书，标志着国际航海网络安全治理进入新阶段[6]。

分级响应制度（GRS）的设计，实现了网络安全事件的精准处置。制度根据事件影响范围划分为一级（全球供应链中断）、二级（单区域中断）、三级（单船/局部故障）三个响应级别，分别对应IMO 应急预案启动、网络安全专家组派遣、船端自动应急流程执行等差异化响应措施。在2025 年新加坡港事件中，GRS 系统判定为一级响应，IMO 协调 27 国技术力量，72 小时内恢复港口运作，彰显分级响应机制的高效性。

跨境联合调查机制的建立，解决了网络安全事件跨国追责难题。机制规定受害方通过IMO网络安全中心提交事件报告后，48 小时内组建包含法医、协议分析师、法律顾问的专家组，使用 Chainalysis 等区块链存证平台保全数字证据，并依据《布达佩斯公约》开展跨国司法协作。该机制在某集装箱船被控事件中成功应用，通过卫星通信记录锁定攻击源，最终顺利起诉某黑客组织，形成强有力的法律威慑。

3.4 技术-管理-法律协同机制：构建闭环防御体系

三维防护体系的效能发挥，依赖于技术、管理、法律三者的深度协同。在攻击链阻断场景中，技术层通过S-FW 拦截伪造AIS 信号，管理层通过S-NOC 自动生成工单并通知船员核查，法律层依据公约要求向IMO 提交事件报告，形成"检测-响应-处置"的完整闭环。

持续改进循环（PDCA）的引入，确保防护体系始终保持最优状态。每季度更新威胁情报库，部署 AI 模型迭代版本，通过 DNV GL 认证审核，并根据审计结果调整防护策略。某船队通过持续改进循环，年度网络安全事件发生率下降 83% ，体系成熟度（CMM）从 3 级提升至4 级，实现防护能力的螺旋式上升。

通过技术防护的硬性屏障、管理机制的软件支撑、法律规制的强制保障，三维防护体系构建起"技术硬防御-管理软实力-法律强支撑"的立体化防护架构，为航海关键信息基础设施提供全要素、全链条、全场景的安全保障。

4.结论

本文提出的"技术-管理-法律"三维防护体系，通过动态防御模型、全周期管理机制与国际协作框架，为航海关键信息基础设施提供了系统性的安全解决方案。然而，面对量子计算与AI 攻击的双重挑战，航海 CII 安全仍需持续创新。未来研究应聚焦三个方面：一是突破抗量子攻击核心技术，二是构建全球威胁信息共享生态，三是推动国际法律框架的实质性进展。唯有通过技术、管理、法律的深度协同，才能构建起适应未来十年数字海运时代的安全防护体系，为全球供应链稳定与海洋战略安全提供坚实保障。

参考文献

[1] 吴笑风,许攸. 海上网络安全:航运与船舶工业的跨界挑战[J]. 中国船检,2017(7):42-44.

[2] IMO MSC.1/Circ.1583 船舶网络安全指南[S]. 伦敦:国际海事组织,2023.

[3] 张勃. 基于网络认知的智能信息网络发展构想[J]. 陆军工程大学学报,2025(1):45-52.

[4] 周未,解文彬,李磊. 赛博空间安全框架设计及风险评估方法[J]. 计算机工程与应用,2016(18):1-8.

[5] 全国信标委. 关键信息基础设施安全保护要求, GB/T 39204-2025[S]. 北京:中国标准出版社,2025.

[6] 交通运输部. 航海关键信息基础设施保护条例[S]. 北京:人民交通出版社,2024.