石油化工电气仪表的网络安全防护技术研究

摘要：随着石油化工行业数字化转型的深入推进，电气仪表系统网络化程度不断提高，传统封闭式孤岛系统逐渐演变为开放式网络系统，网络安全风险日益凸显。本文从石油化工电气仪表网络安全现状出发，系统分析了当前面临的主要安全问题，包括系统架构分散化导致的攻击面扩大、网络边界防护体系薄弱、监测预警机制不完善以及数据安全管理存在漏洞等。针对这些问题，提出了架构优化设计、多层次防护体系构建、智能监测预警机制和数据全生命周期防护等对策，旨在构建一套完整的石油化工电气仪表网络安全防护技术体系，为行业安全生产提供技术支撑和理论指导。

关键词：石油化工；电气仪表；网络安全防护

第一章 引言

随着21世纪的到来，中国石化行业进入了跨越式的发展阶段，多个千万吨炼油和百万吨乙烯的炼化一体化工厂陆续在中国建成并投入商业化运行。石油化工行业的飞速发展为自动化和信息化提供了良好基础，工业控制系统从传统封闭式孤岛系统演变到开放式网络系统。当前，石油化工企业正积极推进数字化转型，通过工业互联网、云计算、大数据等新技术应用，实现生产过程的智能化控制与管理。这一趋势使得电气仪表系统与信息管理系统的集成度不断提高，采用通用硬件、软件越来越多，系统规模越来越大，要求也越来越高，为行业发展带来新的机遇和挑战。

石油化工电气仪表系统网络化带来了显著的安全挑战。随着系统开放性增强，传统物理隔离的防护策略逐渐失效，工控协议固有脆弱性被不断暴露。TCP/IP和OPC协议的广泛使用，对工控网络安全性、可靠性带来了挑战。通用工作站采用Windows平台，补丁更新不及时，容易遭受病毒入侵与扩散，导致网络风暴。同时，工控系统与信息系统网络安全性要求更高，但网络生命周期长、安全意识较低，缺乏有效的工控网络策略及管理程序，物理安全防护和访问控制策略不完善。网络内部各层次和系统间相互干扰，攻击事件难以追踪，工控系统制造商、网络安全产品制造商、用户之间的合作意识不够。

近年来，全球石油天然气行业网络安全事件频发。2017年12月，全球最大的石油公司沙特阿美遭到TRITON病毒攻击，导致安全仪表系统被迫关闭。这种病毒利用了施耐德电气Triconex系统的漏洞，是全球首个面向工控安全仪表系统的病毒，可对安全仪表系统逻辑进行重编辑，使其产生意外动作或失效。2021年5月，美国最大的成品油管道系统科洛尼尔管道遭到Darkside黑客组织的勒索攻击，迫使该公司关闭了5500英里长的管道，美国汽油期货上涨一度超4%。2023年12月，伊朗全国70%的加油站因黑客攻击而服务中断。这些事件表明，一旦网络攻击影响到正常业务，其影响范围和程度将超出企业控制，对国民经济和社会稳定造成严重威胁。

本研究具有重要的理论和实践意义。从理论上看，系统梳理石油化工电气仪表网络安全防护技术，有助于构建完整的安全防护理论体系；从实践上看，提出有针对性的防护对策，可为企业提供技术支撑和实施指南。党的十九届五中全会提出，要统筹推进基础设施建设，构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系，推进能源革命，建设智慧能源系统。国家相关政策法规对关键信息基础设施保护提出了明确要求，《网络安全法》《关键信息基础设施安全保护条例》等法律法规为石油化工行业网络安全工作提供了法律依据。能源行业要做好网络安全保障工作，就要做到"管理体系完善、技术体系先进、运营体系健全"，形成网络安全综合防控体系。

第二章 石油化工电气仪表网络安全技术架构

2.1 典型网络拓扑结构特征

石油化工电气仪表网络拓扑结构通常采用分层分区的设计理念，主要分为企业信息网、生产管理网和控制网三个层次。企业信息网主要承载办公自动化、企业资源规划等业务系统；生产管理网承载生产执行系统、历史数据库等系统；控制网则承载DCS、PLC、安全仪表系统（SIS）等工业控制系统。这种分层架构的特点是各层次之间通过防火墙、网闸等安全设备进行隔离，实现横向隔离、纵向认证的安全策略。在控制网内部，又可细分为控制系统网络、现场设备网络和安全仪表网络等子网络，各子网络之间通过工业交换机连接，形成星型或环型拓扑结构，确保数据传输的可靠性和实时性。随着工业互联网的发展，石油化工电气仪表网络正逐步向"端、边、管、云"一体化融合架构演进，边缘计算节点增多，网络拓扑更加复杂，对网络安全提出了更高要求。

2.2 安全防护技术体系组成

石油化工电气仪表网络安全防护技术体系主要由边界防护、主机加固、通信安全、数据保护和安全管理五大部分组成。边界防护技术包括防火墙、入侵检测系统（IDS）、入侵防御系统（IPS）和网闸等，用于实现网络边界的访问控制和异常流量检测；主机加固技术包括操作系统加固、补丁管理、白名单和防病毒等，用于提高工控主机的安全性；通信安全技术包括加密传输、身份认证和协议安全等，用于保障网络通信过程的机密性和完整性；数据保护技术包括数据加密、访问控制和备份恢复等，用于防止数据泄露和确保数据可用性；安全管理技术包括安全策略管理、日志审计和态势感知等，用于实现安全事件的监测、分析和响应。这些技术相互配合，形成多层次、纵深防御的安全防护体系，共同保障石油化工电气仪表网络的安全运行。

2.3 关键设备安全特性分析

石油化工电气仪表系统中的关键设备主要包括PLC、DCS和SIS系统，这些设备具有不同的安全特性。PLC系统通常采用模块化设计，具有高可靠性和实时性，但缺乏内置的安全机制，易受到恶意代码攻击；DCS系统集成度高，具有完善的冗余机制和故障诊断功能，但系统复杂，攻击面较大；SIS系统则专门用于安全保护，具有高可靠性和故障安全特性，通常采用冗余设计和自诊断功能，确保在危险情况下能够将过程转入安全状态。这些关键设备的安全完整性等级（SIL）是衡量其安全性能的重要指标，根据GB/T 20438和GB/T 21109标准，SIL等级分为1-4级，石油化工工厂或装置的安全完整性等级通常不高于SIL 3级。SIL等级由平均失效概率、硬件故障裕度、系统失效避免及控制和软件要求四个方面决定，其中平均失效概率是最重要的量化指标，反映了安全仪表系统在需要时无法执行规定安全功能的概率[7]。

第三章 存在的主要安全问题

3.1 系统架构分散化导致的攻击面扩大

随着石油化工行业数字化转型的深入推进，电气仪表系统架构日趋复杂，多系统集成带来的接口风险不断增加。各种自动化系统、信息管理系统之间的互联互通，虽然提高了生产效率，但也扩大了潜在的攻击面。特别是在系统集成过程中，不同厂商、不同协议、不同标准的设备和系统之间的接口往往成为安全防护的薄弱环节，攻击者可以通过这些接口实施渗透和攻击。同时，石油化工行业普遍存在老旧设备与新技术兼容性问题。由于石油化工生命周期一般为15-20年，许多企业仍在使用老旧的控制系统和设备，这些设备往往缺乏现代安全防护机制，如加密通信、身份认证等功能，难以适应当前复杂的网络安全环境。

3.2 网络边界防护体系薄弱

石油化工电气仪表网络边界防护体系存在明显薄弱环节。首先，工控协议固有脆弱性问题突出。传统工控协议如Modbus、Profibus等在设计之初主要考虑功能实现和通信效率，缺乏安全机制，不具备加密和身份认证功能，数据传输采用明文方式，容易被窃听和篡改。攻击者可以通过中间人攻击、重放攻击等方式干扰正常通信，甚至发送恶意指令控制设备。其次，物理隔离策略失效风险增大。随着业务需求的增长，传统的"空气隔离"策略难以满足信息共享和远程访问需求，许多企业采用USB设备、移动存储介质等方式实现数据交换，这种"物理隔离、逻辑连通"的方式实际上已经打破了物理隔离的边界。

3.3 监测预警机制不完善

石油化工电气仪表网络安全监测预警机制存在明显不足。首先，异常流量识别能力不足。工控网络的通信模式相对固定，但现有的监测系统多采用IT网络的安全设备和技术，无法有效识别工控协议中的异常行为。例如，攻击者可以利用合法的工控指令实施攻击，如修改PLC程序、更改控制参数等，这些操作在协议层面是合法的，但可能导致生产过程异常。其次，安全事件响应滞后。由于缺乏专业的工控安全监测平台和技术人员，许多企业无法及时发现和处置安全事件。安全事件从发生到被发现，再到采取响应措施，往往存在较长的时间延迟，这为攻击者提供了足够的时间深入系统内部，造成更大的损害。

3.4 数据安全管理存在漏洞

石油化工电气仪表系统的数据安全管理面临严峻挑战。首先，生产数据泄露风险高。石油化工生产过程中产生的工艺参数、设备状态等数据具有重要价值，这些数据一旦泄露，不仅会造成商业机密损失，还可能被攻击者用于分析系统弱点，制定精准攻击策略。然而，目前许多企业缺乏完善的数据分类分级管理机制，对敏感数据的保护不足，数据访问控制策略粗放，无法实现精细化管理。其次，跨网数据传输安全隐患突出。为满足生产管理需求，控制网与管理网之间需要进行数据交换，但数据传输过程中的安全保障措施不足，缺乏有效的加密和身份认证机制，容易被攻击者利用实施中间人攻击或数据篡改。

第四章 网络安全防护技术对策

4.1 架构优化设计

针对系统架构分散化导致的攻击面扩大问题，应构建分层分区防护体系。首先，按照功能和安全要求将网络划分为生产区、数据区和应用区三个安全域，生产区包含工业控制系统和现场设备，实行最严格的访问控制；数据区包含历史数据库和数据分析系统，负责数据存储和处理；应用区包含生产管理系统和企业信息系统，负责业务应用。各安全域之间通过防火墙、网闸等安全设备实现隔离和访问控制，确保高级别安全域的安全不受低级别安全域影响。其次，引入软件定义网络（SDN）技术，实现网络资源的灵活调度和集中管理。通过SDN控制器集中管理网络流量和安全策略，实现网络可视化和智能化控制，提高网络的灵活性和安全性。同时，采用微隔离技术，将网络划分为更小的安全区域，限制横向移动，减小攻击面。此外，建立统一的安全架构标准，规范系统集成接口，确保新旧系统安全对接，降低系统集成带来的安全风险。

4.2 多层次防护体系构建

为解决网络边界防护体系薄弱问题，应实施网络专用与横向隔离策略。首先，建立专用的工控网络，与企业办公网络物理隔离，避免办公网络的安全威胁扩散到工控网络。在工控网络内部，按照功能和安全要求划分多个安全区域，如控制系统区、工程师站区、历史服务器区等，各区域之间实施横向隔离，限制不必要的通信。其次，部署工业防火墙与入侵检测系统（IDS），加强网络边界防护。工业防火墙应支持工控协议深度解析，能够识别和过滤工控协议中的异常行为；工业入侵检测系统应具备工控网络流量分析能力，能够识别针对工控系统的攻击行为。此外，实施严格的访问控制策略，采用最小权限原则，只允许必要的通信和操作。对于远程访问需求，应建立安全的远程访问机制，如VPN加密通道、双因素认证等，确保远程访问的安全性。同时，加强工控协议安全，采用支持安全机制的新型工控协议，或在传统协议基础上增加安全层，实现通信加密和身份认证。

4.3 智能监测预警机制

为完善监测预警机制，应建立态势感知平台。该平台通过数据采集、关联分析和威胁预测三个环节，实现对网络安全态势的全面感知。在数据采集环节，部署网络流量采集设备、主机安全代理、日志收集器等，全面收集网络流量、主机行为、安全设备日志等数据；在关联分析环节，利用大数据分析技术，对采集的数据进行关联分析，识别潜在的安全威胁和异常行为；在威胁预测环节，基于历史数据和威胁情报，预测可能的安全风险，提前采取防护措施。同时，开发自动化巡检与仿真测试系统，定期对工控网络和设备进行安全巡检，发现潜在安全隐患。通过仿真测试，在不影响实际生产的情况下，验证安全防护措施的有效性。此外，建立安全事件响应机制，制定详细的响应预案，明确责任分工和处置流程，确保在安全事件发生时能够快速响应，将损失降到最低。结合人工智能技术，提高异常检测的准确性和自动化水平，减少误报和漏报。

4.4 数据全生命周期防护

为解决数据安全管理存在的漏洞，应实施数据全生命周期防护策略。首先，应用加密传输与存储技术，确保数据在传输和存储过程中的安全。对敏感数据采用强加密算法进行加密，防止数据被窃取或篡改；对数据传输通道实施加密保护，如TLS/SSL加密，确保数据传输的机密性和完整性。其次，实施数据分级分类管控策略，根据数据的敏感程度和重要性，将数据划分为不同的安全级别，并针对不同级别的数据制定相应的保护措施。对于高级别敏感数据，实施严格的访问控制和审计措施，确保只有授权人员能够访问。此外，建立完善的数据备份和恢复机制，定期对重要数据进行备份，并将备份数据存储在安全的离线环境中，防止勒索软件等攻击导致数据丢失。同时，实施数据脱敏技术，在数据共享和分析过程中，对敏感信息进行脱敏处理，降低数据泄露风险。最后，建立数据安全审计机制，对数据访问和操作行为进行记录和审计，及时发现异常行为。

第五章 结论与展望

本研究系统分析了石油化工电气仪表网络安全面临的主要问题，提出了针对性的防护技术对策。研究表明，石油化工电气仪表网络安全防护应采取多层次、纵深防御的安全策略，通过架构优化设计、多层次防护体系构建、智能监测预警机制和数据全生命周期防护等措施，构建完整的安全防护体系。在实践中，应根据企业实际情况，优先解决关键安全问题，逐步提升整体安全防护水平。随着工业互联网、人工智能等新技术的发展，石油化工电气仪表网络安全防护技术将向智能化、自动化方向发展。未来应加强安全态势感知技术研究，提高异常行为检测的准确性；深入研究零信任架构在工控网络中的应用，实现更精细化的访问控制；探索区块链技术在工控系统安全审计中的应用，提高数据的可信性和完整性；加强供应链安全管理，防范供应链攻击风险。通过技术创新和管理优化，不断提升石油化工电气仪表网络安全防护能力，为行业安全稳定运行提供有力保障。

参考文献

[1]王铁成， 李雨桐. 石油化工工业控制系统网络安全防护技术研究[J]. 自动化仪表， 2021， 42（5）： 78-82.

[2]赵文君. 基于分层分区的石化企业工控网络安全防护体系构建[J]. 信息安全研究， 2022， 8（3）： 156-163.

[3]孙明远. 石油化工行业工业控制系统安全态势感知技术应用研究[J]. 工业控制计算机， 2023， 36（2）： 112-117.