利用STPA-SafeSec分析工业控制安全

摘    要

STAMP和STPA方法是复杂系统危险分析的一种先进方法，可有效识别危险的控制活动和增强安全约束。其被应用于核能、交通、航天、军工等工业控制系统设计和事故调查环节。针对物理-信息系统的工业控制综合安全问题（Safety与Security），Friedberg等人扩展了STPA方法，进一步细化和融合物理和信息安全分析过程，提出了控制层与组件层安全约束映射方法，增加了信息安全相关归因要素，形成了一体化的STPA-SafeSec分析体系，并以风岛发电系统安全分析为例，展示了STPA-SafeSec的具体分析过程[1]。本文摘译和整理了Friedberg等人的文献，并就STPA-SafeSec在工业控制安全领域的应用做了展望。

背景

信息技术赋予现代工业新模式、新机会和新能力，工业控制系统不断演化，社会和技术的融合愈发紧密，国家和行业关键基础设施在网络和物理安全方面得到极大地关注。为清晰目标、明确责任和落实资源，网络空间安全和物理安全，或者，IT安全和OT安全，需要在信息-物理系统层面综合考虑，相互进入对方的语境，采用统一的方法工具开展综合安全研究、分析和评估。

国家或行业关键基础设施被攻击，可能造成严重的危害，例如：美国水坝网络攻击、乌克兰电网攻击等事件。安全分析领域考虑到这些新风险要素，提出了一些新的危害分析理论和方法，这些理论和方法也可推广解决一般工控信息安全问题。国家和行业关键基础设施是软件、网络、机电构件和人组成的复杂工业控制系统。危害分析领域专家认为：安全事故或灾难是复杂系统状态的“涌现”；基于部件失效或数值超限概率模型和归因理论，无法全面揭示事故缘由和提出对策；传统FAT和FMEA方法无法应对“软件密集和人参与控制”型复杂系统的安全性分析要求。

为此，美国麻省理工大学航空航天软件工程研究实验室Leveson等人提出了新事故模型(Systems-Theoretic Accident Modeling and Processes，STAMP)以及过程分析方法(Systems-Theoretic Process Analysis ，STPA)[2]。她认为，事故的起因并非是组件故障，而是在系统设计、开发和运行中不恰当控制或安全相关约束不充分的执行所导致的。不同于把事故看作是起始事件引发的连锁事件导致的损失，而是将事故看作由组件间交互而导致违背系统安全约束的结果。

STAMP理论和STPA分析方法广泛应用于系统设计实现和重大灾难分析，例如：美国挑战者飞船发射事故、伊拉克禁飞区误击事故、航天载人舱返回系统、港口运输安全保障和火星探测器着陆失败故障等[3][4][5]。国内学者和技术人员在铁路车辆控制[6]、作战系统设计[7]、航空机械系统人因工程[8]、核反应应急[9]和海洋工程管理等方面都有应用和扩展。除人工控制之外，控制算法的自动执行、系统内外网络攻击和恶意代码等控制源也纳入STAMP理论框架。Friedberg等人提出的STPA-SafeSec，更好地统一了Safety和Security分析方法，建立了面向信息-物理系统（CPS）的安全性分析完整体系[1]。

STAMP和STPA

STAMP和STPA是STPA-SafeSec的基础。二者基于系统理论扩展了传统的因果模型，由关注组件故障转变为关注人、物理系统组件和环境交互导致的损失。当系统组件的行为和互操作违法了安全约束，势必造成损失。问题的关键从如何防止故障转变为如何对系统行为加强安全约束。如图-1左部分所示，系统的控制回路可以抽象为控制者（可能是人或软件算法）与被控过程的控制与反馈的互动关系。不安全问题的根源在于过程实际状态与过程模型的不一致。围绕控制活动，存在四类导致系统损失的基本归因要素：1）发起一个不安全的控制活动；2）未提供防止损失的控制活动；3）提供的控制活动或太早或太晚；4）控制活动持续时间太长或过早停止。控制回路、安全约束和归因要素是STAMP和STPA的核心。

图-1 STPA控制环路与安全分析主要步骤[1] 

STPA分析的一般步骤如图-1右部分所示。整个步骤由内、外两个环路构成，通过循环迭代满足系统动态演进和灵活适应外部变化的需要。首先，系统可抽象为各种约束和控制环路。通过STPA方法，可对这些控制环路单独细化分析，从而发现违反约束的控制，识别由系统缺陷和恶意控制活动导致的灾难场景。再者，以四类归因要素为起始，此方法提供了提取危险场景的办法。而后，控制环路可细化为组件，进一步将约束和危险控制活动细化为安全问题，最终形成移除问题的方案（增加约束或增加新的控制环路）。

STPA-SafeSec

传统信息安全分析主要关注威胁，强调对威胁路径的阻断。这些方法在战术层面是有效的。但是，在战略层面，还需要考虑如何通过控制系统的脆弱性达到安全，而不是一味地规避威胁。基于STAMP理论， STPA-SafeSec综合物理安全和信息安全分析方法使用统一的分析框架和过程，既可以从系统层面识别脆弱性和损失场景，又能进一步增补控制约束和关注威胁。

图-2 基本控制结构图[1]

STPA-SafeSec方法包含了两大核心贡献：

其一，为了确定信息安全约束，分析者有必要将相对抽象的系统控制层扩展为组件层。之前，STPA通过引入基本控制结构图（如图-2所示）[1]，帮助分析者识别系统控制回路。在STPA-SafeSec方法中，分析者不但可以通过控制层关注功能性交互、控制概念和算法，还可以通过组件层将系统的具体实现可视化。组件层既包括控制算法或传感器部署的节点，也包括网络节点、物理网络连接和应用层协议。

其二，为适应信息安全分析需要，分析方法对归因要素进行了扩展。尽管STPA提供了基本归因要素图，以此描述导致灾难控制活动的要素，但这些要素无法描述恶意意图的主动行为。为此，在STPA-SafeSec中，对要素进行了扩展，以适于描述针对系统可用性和完整性的网络攻击效果（如表-1，表-2所示）。另外，STPA-SafeSec也提供了控制层与组件层的归因要素映射关系。例如，如果在控制层中，因反馈缺失导致灾难控制活动发生，可用性约束应该设置于传感器与控制器之间的物理通讯网络，同样也要在传感器的反馈机制内设置。通过表2可知或是网络节点、终端节点，或是物理通讯链路被攻击了，从而导致通讯延迟或阻断。

表-1 通用完整性威胁[1]

表-2 通用可用性威胁[1]

同时基于上述两点贡献，STPA-SafeSec方法又扩展和细化了STPA通用分析过程。

外环部分是系统调整和迭代分析过程，具体步骤如图-3所示：在明确系统限制条件后，衍生系统损失、系统灾难和综合安全（Safety与Security）约束；设计系统控制层，标识控制回路和控制者之间的交互。

图-3 STPA-SafeSec 主要分析步骤[1]

内环部分是控制回路分析过程，具体步骤：定义相关控制活动；衍生系统变量，识别离散变量空间；定义灾难控制活动；根据基本归因要素识别安全相关缺陷；根据基本组件图将控制层映射到组件层；细化Safety和Security约束和映射；识别灾难场景；根据信息安全导引分析目标脆弱性和揭示威胁；最终，通过增加安全约束和安全相关控制措施移除灾难控制活动。

违反安全约束会造成系统损失，损失场景构成一棵树。移除策略针对具体的场景树采取措施，增加适当的安全约束，直至场景树的根节点被移除。组件层和控制层之间存在的关联关系，也为移除脆弱性提供了更多选择。例如，当组件层存在了信息安全脆弱节点，但因业务或设备陈旧等原因无法替换或增补安全措施，就可以在控制层增加安全约束，保证危险控制活动不被执行。

应用案例

风电风岛发电并网系统是典型的ICS系统（如下图-4所示）[1]。它的安全性可以按照STPA-SafeSec方法，遵循图-3的步骤进行分析。

图-4 风岛发电系统结构图[1]

首先，通过领域专家的归纳，系统损失主要包括：人身伤害（L1），电力设备损坏（L2），用户设备损坏（L3），供电中断（L4）。因此，系统危险控制行为定位为：失协合闸（H-1），超限运行（H-2），违反质量要求（H-3），同步失能（H-4），本地失能（H-5）。其中，H3可细分为电压（H-3-1）和频率（H-3-2）。危险与系统损失之间的关系如表-3所示。

表-3 缩写含义及危险源标识表[1]

以分机转速控制器（Speed Controller）为例，构建速度控制结构图，如下图-5所示。其中，圆圈表示设备节点，三角表示网络连接，白色矩形表示系统变量和状态，灰色矩形表示控制算法。

图-5 风岛发电速度控制结构图[1]

从图上可以看到，速度控制器通过传感器-主电网相位测量单元（Host Grid PMU）、本地电网相位测量单元（Local PMU），分别监测主网和本地微电网的电压、频率、相位角等运行参数，设定原动力控制器（Prime Mover Controller）的参数，进而控制发电机组（Generator Set）的工作状态；在判定主电网和本地电网运行参数同步后，控制断路器（Circuit Breaker Controller）合闸并网。系统运行参数构成状态向量，而某些控制行为（例如，断路器合闸）在特定系统状态下会产生系统危害。这样，危险控制行为（Hazard Control Action，HC）与系统危害（Hazard，H）、系统状态变量（System Variable）、基本归因（Generic Causal Factor）要素之间存在逻辑关系。

图6 控制层节点扩展归因要素之间的关系[1]

例如，当本地电网电压、频率或相角与主电网参数偏差超限时，速度控制器依然通知断路器执行安全合闸指令，无论这一指令是否早到或迟到，都会引起人员伤害（H-1）和用户端设备损坏（H-3）结果。系统安全约束和危害与控制层逻辑单位的映射关系如图-6所示。其中，左轴部分表示控制层节点(CTRL-N-x)和连接逻辑(CTRL-C-x)单元；上部分别表示完整性（CSTR-I-x）、可用性（CSTR-A-x）和系统危害(H-x)等约束。

图-7 风岛系统组件层映射结构图[1]

相关约束可以通过控制层到组件层的映射，在组件层的节点、连接逻辑单元之间进一步细化。例如，根据映射关系（如图-7所示），控制层的本地电网PMU就扩展为构件层中的本地PMU设备（N-5）、GPS天线（N-6）和与GPS卫星通讯的链路（C-5）。这些组件层逻辑单元因为违反安全约束（完整性CSTR-I-x、可用性CSTR-A-x和可靠性）会造成一系列危害（H-1,2,3,4,5），如表-4所示。针对GSP的欺骗攻击已经比较普遍。这样的攻击会严重影响本地电参数的测量，最终导致断路器闭合失协。速度控制器、WAN等节点的安全约束映射和细化也可按此步骤展开。

表-4 完整性、可用性和可靠性约束与组件节点之间的危害源对应关系[1]

为将相关成果串联起来，这里定义了危害场景（Hazard Scenarios）概念，并用文本形式加以表达，以利其他专家介入分析和后续处理。危害场景是具体案例的文本表示，是由系统缺陷引发的危险控制行为，这些行为导致系统面临危害和损失。为便于表达和分析，危害场景按照层次化结构建立，形成文本化的树形结构，如图-8所示。其实质是将系统缺陷和被违反的约束关联起来。

图-8 危害场景文字描述样例[1]

为了移除系统危害，可以增加新的控制设备，或者进一步完善协议的安全性， 并根据系统特点选择不同的策略。

应用展望

STPA-SafeSec继承了STPA在系统理论、归因模型、安全约束和危害控制活动分析等方面的技术成果，面向信息-物理系统细化了分析流程框架，扩展了综合物理安全和信息安全需求的归因要素，增加了控制层到基本组件层的映射机制。STPA-SafeSec是工业控制系统安全性分析的一种重要工具，在电力、石化、交通和制造等领域的关键设施设备的论证设计和建设验收等方面，STPA-SafeSec可支撑工业控制系统全生命周期，在与多专业模型和自动化工具集成后[10][11]，将发挥更大的综合安全分析优势。

文献参考

[1]      Friedberg I, Mclaughlin K, Smith P, et al. STPA-SafeSec: Safety and security analysis for cyber-physical systems[J]. Journal of Information Security & Applications, 2016.

[2]      Leveson N. A new accident model for engineering safer systems[J]. Safety Science, 2004, 42(4):237-270.

[3]      Young W, Leveson N. Systems thinking for safety and security[C]// Computer Security Applications Conference. ACM, 2013:1-8.

[4]      Ishimatsu T, Leveson N G, Thomas J P, et al. Hazard Analysis of Complex Spacecraft Using Systems-Theoretic Process Analysis[J]. Journal of Spacecraft & Rockets, 2014, 51(2):509-522.

[5]      Nakao H, Katahira M, Miyamoto Y, et al. Safety Guided Design of Crew Return Vehicle in Concept Design Phase Using STAMP/STPA[J]. 2012, 699:65.

[6]      Fan Y, Li Z, Pei J, et al. Applying systems thinking approach to accident analysis in China: Case study of “7.23” Yong-Tai-Wen High-Speed train accident[J]. Safety Science, 2015, 76:190-201.

[7]      李娟, 汪厚祥, 林海涛. 基于STAMP的舰载作战系统软件安全研究[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(9):63-66.

[8]       胡剑波, 郑磊. 综合火/飞/推控制系统复杂任务的STAMP建模和STPA分析[J]. 航空工程进展, 2016, 7(3):309-315.

[9]       阳小华, 刘杰, 刘朝晖,等. STAMP模型及其在核电厂DCS安全分析中的应用展望[J]. 核安全, 2013, 12(3):42-47.

[10]  Abdulkhaleq A, Wagner S. XSTAMPP: An eXtensible STAMP Platform As Tool Support for Safety Engineering[C]// Stamp Conference. 2015.

[11]  Thomas J. Extending and automating a Systems-Theoretic hazard analysis for requirements generation and analysis.[J]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 2012.

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作者：叶小列  丁宇征  中国船舶工业综合技术经济研究院

责编：蔡北平

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