Chương 1 giới thiệu cấu trúc điển hình của các hệ thống điều khiển công nghiệp; điểm qua một số sự kiện tấn công hệ thống điều khiển công nghiệp; liệt kê các điểm có khả năng bị tấn công trong hệ thống điều khiển công nghiệp và một số lỗ hổng dễ bị tấn công; giới thiệu một số dạng tấn công điển hình; tổng hợp tình hình nghiên cứu về an toàn thông tin trong hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay và đưa ra hướng nghiên cứu cho luận án. Tổng quan về hệ thống điều khiển công nghiệp Kiến trúc của một hệ thống điều khiển công nghiệp bao gồm ba cấp chính: cấp giám sát điều khiển, cấp điều khiển tự động và cấp chấp hành (hình 1. Cấu trúc điển hình của hệ thống 1. Cấp giám sát điều khiển SCADA server: kiểm soát, giám sát hoạt động của toàn hệ thống Communication server: trao đổi dữ liệu giữa trung tâm điều khiển và các lớp dưới, là giao diện với các gói phần mềm khác nhau để truy cập dữ liệu từ các thiết bị trường như các bộ PLC (Programable Logic Controller), các MTU (Master Terminal Unit), các RTU (Remote Terminal Unit).
18 Builder server: dùng để tải chương trình xuống các thiết bị điều khiển hay gỡ bỏ chương trình của các thiết bị hiện trường như các bộ PLC, các MTU, các RTU thông qua Ethernet hoặc cáp nối tiếp, ví dụ gói phần mềm WinCC/ STEP7 của Siemens. Diagnostic server: để phát hiện các xâm nhập, các tình huống bất thường, các lỗi, các cuộc tấn công vào hệ thống. Application server: khung phần mềm giúp việc phát triển và thực hiện các ứng dụng bổ sung cho hoạt động của hệ thống. Human Machine Interface (HMI): một ứng dụng cho phép vận hành hệ thống đồ họa tương tác với các hệ thống điều khiển công nghiệp, cho phép sửa đổi các lệnh điều khiển và giám sát các biến hệ thống.
Database server: dùng cho tất cả các quá trình đăng nhập thông tin, thông tin này sau được sử dụng bởi các máy chủ cho phép tìm, phát hiện và xác định các tình huống bất thường xảy ra đối với hệ thống, có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu, thay đổi từ phân tích quá trình kiểm soát đến mức điều khiển toàn nhà máy của doanh nghiệp. Operators: chịu trách nhiệm giám sát hoạt động của hệ thống và giải quyết các tình huống lỗi bất thường, các cuộc tấn công mạng vật lý… 1. Cấp điều khiển Lớp điều khiển tự động chịu trách nhiệm điều tiết hoạt động của các quá trình vật lý dựa trên các lệnh điều khiển truyền từ trung tâm điều khiển và các phép đo cảm biến nhận được từ thiết bị hiện trường. Đầu ra của bộ điều khiển là các tín hiệu điều khiển, được gửi đến các bộ truyền động thông qua mạng truyền thông.
Các biến trong hệ thống, bao gồm các lệnh điều khiển, đo lường cảm biến, và tín hiệu điều khiển, được tổng hợp cho trung tâm điều khiển với mục đích giám sát và quản lý toàn hệ thống. Trong các hệ thống điều khiển công nghiệp quy mô lớn, các lớp điều khiển tự động thường được phân chia thành các trạm (hoặc hệ thống nhỏ), mà trung tâm là thiết bị đầu cuối chủ (Master Terminal Unit - MTU), và các thiết bị đầu cuối hiện trường (Remote Terminal Unit - RTU), bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller - PLC) hoặc thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Device - IED). MTU: thường là một hệ các máy tính công nghiệp, các MTU giao tiếp với người điều hành và Các RTU thông qua khối truyền thông, ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như màn hình điều khiển, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông, nhiệm vụ của MTU là: o Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người vận hành. o Xuất dữ liệu đến các thiết bị RTU.
19 o Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển. o Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác. Các RTU: thường đặt tại hiện trường để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị trường như các cảm biến, thiết bị đo, … gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trường. Mặt khác nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu.
Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể điều khiển trực tiếp qua các địa điểm xa mà không cần định hướng của MTU, có thể truyền tin không dây qua vệ tinh để trao đổi với MTU. PLC: là các bộ điều khiển logic khả trình có thể điều khiển quá trình và thiết bị trường, có đầy đủ tính năng của các loại RTU và dễ cài đặt. Các IED: là những cảm biến thông minh hay thiết bị điện tử thông minh (rơle kỹ thuật số DR, các bộ biến đổi T, công tơ điện tử) có trang bị công nghệ không dây để giao tiếp với RTU, PLC hoặc các MTU.
IED có các chức năng: o Bảo vệ tác động khi xảy ra sự cố. o Biểu thị trạng thái của các phần tử đóng cắt của lưới, ví dụ: vị trí nấc phân áp của máy biến áp, trạng thái đóng mở của máy biến áp. o Kiểm tra tình trạng hoạt động của bản thân thiết bị. o Ghi lại các sự kiện sự cố… 1.
Cấp chấp hành Cấp chấp hành của nhiều hệ thống điều khiển công nghiệp nói chung được mô tả bởi một tập hợp các phương trình vi phân từng phần, sử dụng mô hình không gian trạng thái rời rạc để mô tả lớp vật lý của hệ thống: xk 1 Axk Buk Fdk wk ; x0 x0 (1.1) yk Cxk Duk Gdk vk trong đó: xk n là vector trạng thái của hệ thống, với giá trị ban đầu x 0 n uk p là vector của tín hiệu điều khiển dk q là vector nhiễu yk m là vector cảm biến đo 20 vk p là vector nhiễu của cảm biến wk n là vector nhiễu của quá trình A n n , B n p , F n p , C m n , D m m , G m q là ma trận đã biết. Mạng truyền thông o Mạng toàn doanh nghiệp (Corporate network): Các mạng công ty là một nhóm các máy tính kết nối với nhau trong một khu vực cụ thể, cho phép nhân viên trong một công ty để làm việc cộng tác. Ngày nay, mạng doanh nghiệp được kết nối với mạng lưới quá trình của một hệ thống điều khiển công nghiệp, cho phép ban quản lý để truy cập thông tin quá trình ở mọi lúc mọi nơi. o Mạng quá trình (Process network): mạng quá trình là một tập hợp các máy chủ kết nối với nhau trong việc kiểm soát trung tâm của một hệ thống điều khiển công nghiệp.
Sự liên kết của các máy chủ thông qua mạng quá trình giúp theo dõi và giám sát hoạt động của hệ thống, mạng quá trình kết nối với mạng cấp trường giúp kiểm soát các thiết bị hiện trường, nó cũng liên quan đến các mạng kinh doanh để chia sẻ thông tin quá trình với ban quản lý. o Mạng hiện trường (Field network): Mạng hiện trường kết nối bộ điều khiển cục bộ (các MTU, RTU, PLC hoặc IED) với nhau và liên kết các bộ điều khiển với thiết bị truyền động / cảm biến để thực hiện các quy trình công nghệ. Với mục đích bảo trì, hệ thống DCS hiện đại cho phép các truy cập trực tiếp vào khu điều khiển từ các điểm truy cập cục bộ từ hiện trường, vì vậy đây có thể là điểm tấn công mạng vật lý. o Mạng của đơn vị cung cấp giải pháp (Vendor network): Phần lớn các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại đều được kết nối với mạng của đơn vị cung cấp giải pháp nhằm mục đích bảo trì hoặc hỗ trợ kĩ thuật từ xa, do đó có thể làm cho hệ thống điều khiển công nghiệp dễ bị tấn công, vì các nhóm tin tặc có thể tiếp cận với hệ thống điều khiển công nghiệp thông qua mạng của đơn vị cung cấp giải pháp.
Sự phát triển của các mạng truyền thông công nghiệp đã trải qua ba thế hệ khác nhau. Từ các giao thức nối tiếp dựa trên bus trường truyền thống (ví dụ như: Modbus, Profibus hoặc DNP3) đến các mạng công nghiệp dựa trên Ethernet (ví dụ: Modbus- TCP/IP, Ethernet/ IP) và công nghệ truyền thông không dây (ví dụ: WLAN, WiMAX hay Blue-tooth). Các tiêu chuẩn hóa các giao thức truyền thông làm cho hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại dễ bị tấn công trong không gian mạng. Chính xác hơn, những kẻ tấn công đủ mạnh có thể đột nhập vào các kênh truyền thông, cho phép họ sửa đổi các tín hiệu lệnh, tín hiệu điều khiển hoặc các phép đo cảm biến, từ đó phá vỡ hệ thống.
Vấn đề an toàn thông tin trong hệ thống điều khiển công nghiệp Hướng phát triển của các hệ thống sản xuất công nghiệp hiện đại là tích hợp các kỹ thuật tính toán, truyền thông và điều khiển thành các mức khác nhau trong hệ thống 21 quản lý, điều hành và điều khiển nhà máy. Trong các hệ thống điều khiển truyền thống phương pháp truyền thông được sử dụng phổ biến là truyền thông điểm - điểm, có nghĩa là mỗi cơ cấu đo và cơ cấu chấp hành có một đường truyền thông riêng biệt nối tới máy tính điều khiển trung tâm. Áp lực từ cạnh tranh trên thị trường đòi hỏi các hệ thống sản xuất phải linh hoạt hơn, phải có khả năng mở rộng cả về vật lý cũng như các chức năng, phải có khả năng ứng dụng nhanh chóng những thành tựu mới của khoa học công nghệ để giảm chi phí, nâng cao chất lượng sản phẩm. Do vây, các hệ thống sản xuất phải được module hóa, phân tán về điều khiển, có khả năng tích hợp cao, dễ dàng cho bảo trì.
Các giới hạn của truyền thông điểm - điểm làm cho các hệ thống sử dụng giải pháp truyền thông này trở nên không còn phù hợp nữa.