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基于Web的MES系統(tǒng)安全架構設計及分析
MES系統(tǒng)的信息安全直接關系到企業(yè)的正常生產(chǎn)和管理。下面對基于Web環(huán)境的MES系統(tǒng)的安全體系進行了分析，設計了系統(tǒng)的安全架構，基于該架構開發(fā)的SciMES產(chǎn)品，已經(jīng)成功應用到了多個工業(yè)企業(yè)，持續(xù)為企業(yè)提供著安全、穩(wěn)定、可靠的信息化服務。
1 引言
MES(Manufacturing Execution System)，即制造執(zhí)行系統(tǒng)，位于企業(yè)上層業(yè)務規(guī)劃系統(tǒng)(BPS，Business Planning System)和工業(yè)控制系統(tǒng)(PCS，Process Control System)之間，應用于企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行管理，是面向車間層的生產(chǎn)技術管理信息系統(tǒng)。MES系統(tǒng)已經(jīng)成為企業(yè)信息化系統(tǒng)的重要組成部分。
隨著計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展和我國信息化進程不斷推進，特別是信息化與工業(yè)化深度融合以及物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，對MES系統(tǒng)的遠程接入和移動互聯(lián)應用也提出了更多需求，尤其是集團式應用，分布在各個地區(qū)生產(chǎn)基地MES系統(tǒng)以各種方式與互聯(lián)網(wǎng)等公共網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)互聯(lián)和信息集成，以及企業(yè)管理者的移動辦公，因此基于Web的MES系統(tǒng)迅猛發(fā)展。圖1是基于Web的MES系統(tǒng)的典型應用。
2 MES系統(tǒng)信息安全需求分析
MES系統(tǒng)連通企業(yè)業(yè)務管理及辦公網(wǎng)絡，集成生產(chǎn)基礎自動化網(wǎng)絡，構成了企業(yè)生產(chǎn)管理網(wǎng)絡，是企業(yè)生產(chǎn)管理的關鍵設施。一旦實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡互連并接入互聯(lián)網(wǎng)，將面臨著來自互聯(lián)網(wǎng)病毒侵擾、黑客攻擊等嚴重威脅，在向工業(yè)控制系統(tǒng)擴散，不僅涉及系統(tǒng)本身的信息安全，甚至影響控制系統(tǒng)的安全運行，導致生產(chǎn)系統(tǒng)的癱瘓。由此，作為企業(yè)BPS和PCS之間的橋梁，MES系統(tǒng)信息安全問題日益突出，保障MES系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運行是企業(yè)信息化過程中需要充分重視的問題，需要進行風險評估，采取適當?shù)姆婪洞胧?/p>
MES系統(tǒng)的安全性是一個復雜的系統(tǒng)工程，包括計算機系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)安全和MES軟件的缺陷造成的安全隱患，以及用戶參與帶來的不安全因素等。
MES系統(tǒng)的信息安全主要體現(xiàn)在幾個方面：一是確保信息在需要的時間、地點和方式下可用，同時保證系統(tǒng)信息的完整性、一致性、正確性;二是保證信息在傳輸?shù)倪^程中的機密性，防止信息泄露和篡改;三是在信息存儲方面，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，并使延遲和故障達到最小。具體可以細化為幾個安全需求。
1) 有效性需求：要求系統(tǒng)能夠持續(xù)有效的提供系統(tǒng)資源，包括系統(tǒng)業(yè)務功能和業(yè)務數(shù)據(jù)，使合法授權用戶能夠隨時隨地地利用系統(tǒng)及資源完成自己的業(yè)務工作。同時對于非法用戶的入侵能夠有效識別和拒絕。
2) 保密性需求：能夠防止竊取系統(tǒng)內(nèi)部信息，防止數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸過程中的泄露與篡改。
3) 完整性需求：能夠保證數(shù)據(jù)的正確性、有效性，防止系統(tǒng)程序、數(shù)據(jù)的非法刪改和破壞，保證系統(tǒng)的正確運行和數(shù)據(jù)的完整性。
4) 故障恢復需求：系統(tǒng)在發(fā)生軟件或硬件故障時，能在最短時間內(nèi)迅速恢復運行，提供正常的系統(tǒng)服務。
5) 可追溯性需求：能夠隨時對系統(tǒng)狀態(tài)、用戶操作進行追溯，系統(tǒng)的關鍵執(zhí)行動作要留有記錄，合法用戶的所有操作以及非法用戶的入侵，所有行蹤都要留下證據(jù)，并且滿足不可抵賴性。
隨著Web技術廣泛應用于MES系統(tǒng)，其開放性在增加應用靈活度的同時，也使應用系統(tǒng)面臨著來自Internet的安全威脅。當網(wǎng)站遭受應用層面的攻擊時，傳統(tǒng)的入侵防御系統(tǒng)、防火墻等防御產(chǎn)品往往顯得力不從心，這就給我們提出了更多應用層面的安全需求。
為保證MES系統(tǒng)的整體安全，需采取全方位防護，包括從設備到網(wǎng)絡、從技術到管理等各層面，而MES應用層是安全防護的短板，本文對此設計了MES的安全架構，來提高系統(tǒng)整體的防護效果和安全等級。
3 基于B/S架構的MES系統(tǒng)安全架構設計
實施MES后，企業(yè)的生產(chǎn)運作管理完全依賴于MES系統(tǒng)的正確運行。GB 17859把計算機系統(tǒng)安全保護能力劃分為五個等級，用戶自主保護級、系統(tǒng)審計保護級、安全標記保護級、結構化保護級和訪問驗證保護級。目前我國尚沒有關于MES系統(tǒng)應達到的安全保護等級要求的法規(guī)和標準。據(jù)調(diào)查，目前市場應用的MES系統(tǒng)一般能夠達到第一級安全標準。為了滿足企業(yè)MES系統(tǒng)的信息安全需求，同時又要應對系統(tǒng)業(yè)務功能的擴展，依據(jù)MES系統(tǒng)安全隱患的分析，根據(jù)國標《GB/T 20271信息安全技術 信息系統(tǒng)安全通用技術要求》和《GB 17859計算機信息系統(tǒng)安全保護等級劃分準則》第二級系統(tǒng)審計保護級的要求，設計了一套MES的安全架構，其邏輯結構如圖2所示。
3.1 身份驗證與訪問控制
為保證系統(tǒng)信息安全和數(shù)據(jù)完整性，采取了非法訪問假設和合法取證原則，即假設所有從客戶端發(fā)過來的請求均是非法用戶的請求，首先要對用戶身份進行驗證，對請求的各種操作，包括數(shù)據(jù)的查詢、添加、修改、刪除等操作，都要進行合法性取證，只有通過驗證的請求，才進行處理，從而最大限度地保證數(shù)據(jù)安全。本架構設計了四個層次的驗證與防護，如圖3所示。
登錄驗證：驗證用戶名、密碼，通過驗證的才能夠進入系統(tǒng)，同時系統(tǒng)在服務器端記錄用戶的身份證明。
將數(shù)據(jù)庫的超級用戶口令封裝在服務器端軟件內(nèi)，用戶登錄時在客戶端將口令加密生成摘要，同保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的摘要進行對比，完成用戶身份確認。
訪問驗證：用戶通過登錄驗證后，系統(tǒng)根據(jù)用戶的訪問控制列表，生成用戶訪問權限內(nèi)的系統(tǒng)導航菜單，返回給客戶端。當用戶按照菜單提交菜單訪問請求時，系統(tǒng)再次進行訪問驗證，通過驗證的返回相應系統(tǒng)頁面。以此防止用戶偽造權限外的菜單地址直接訪問。
操作驗證：根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)操作能力，控制生成用戶數(shù)據(jù)操作能力內(nèi)的業(yè)務操作按鈕。當用戶提交操作請求時，系統(tǒng)再次進行操作能力驗證，防止非法操作的發(fā)生。
數(shù)據(jù)驗證：對用戶所提交操作數(shù)據(jù)進行合法性檢查，防止非法數(shù)據(jù)的侵入。
3.2 訪問控制策略
3.2.1菜單與功能矩陣
對于企業(yè)的不同業(yè)務管理流程，MES系統(tǒng)有不同的業(yè)務操作功能。為了適應系統(tǒng)的擴展性要求，設計了動態(tài)、多級的菜單結構，每級菜單對應系統(tǒng)的一個業(yè)務功能或者子功能，最終對應系統(tǒng)的一個操作界面。系統(tǒng)界面上每一種功能操作或其組合完成一種業(yè)務的處理，構成了菜單和功能的矩陣。
3.2.2基于角色的訪問控制
在對MES系統(tǒng)業(yè)務功能、業(yè)務流程及其干系人分析整理的基礎上，能夠抽象出系統(tǒng)的各種用戶角色，每種角色通過一組系統(tǒng)功能完成一定的業(yè)務處理，需要將這一組系統(tǒng)功能賦予該角色，使其具有完成這一業(yè)務的能力，也就形成了允許訪問控制表，包括菜單的允許訪問列表和功能的允許操作列表。
為了構成系統(tǒng)的完全訪問邊界，需要明確禁止某類操作。因此設計了禁止訪問控制表，包括：菜單的禁止訪問列表和功能的禁止操作列表。
3.2.3用戶及權限管理
構建了角色的訪問控制，將角色賦予用戶，用戶即具備了相應的訪問權限。在企業(yè)的MES應用中，每個企業(yè)用戶都具有一個系統(tǒng)訪問賬號，這個賬號是用戶身份的唯一標識。為保證系統(tǒng)賬號的合法性，所有用戶的賬號只能由系統(tǒng)的賬號管理員進行分配和管理。同時，每個用戶在企業(yè)承擔著某個崗位的職責，對應于MES系統(tǒng)來說，這個用戶就具備著一個或者多個系統(tǒng)角色，通過角色權限的控制形成用戶的權限控制。本著最小權限的原則，應當合理分配和控制角色權限，并通過禁止訪問控制表限制用戶的訪問范圍，構成系統(tǒng)的安全訪問邊界。
3.3 安全運行管理
多數(shù)MES系統(tǒng)都采用單一管理員(甚至是超級用戶)對系統(tǒng)進行管理。雖然簡單易行，但卻存在巨大安全隱患。一旦管理員賬號信息泄露，其他安全措施將形同虛設。因此必須進行系統(tǒng)權限的分割，使其相互制約，避免權限過分集中。本架構的劃分策略：首先是用戶管理員，只負責企業(yè)用戶賬號的分配、鎖定和吊銷，用戶崗位角色的分配，以及用戶密碼的復位操作;其次是安全管理員，負責菜單與功能矩陣的維護，以及角色訪問控制列表的制定。
用戶管理員和安全管理員相互制約，只有協(xié)調(diào)一致才能夠完成用戶的權限分配。同時又可以分級管理，按照分廠、車間等組織架構，或者依據(jù)業(yè)務范圍，劃分出不同層級、不同范圍的用戶管理員和安全管理員，他們只能在自己的權限范圍內(nèi)行使權力。由此形成了可集中管理也可分化管理的技術模型，企業(yè)可以依據(jù)自身規(guī)模和管理模式靈活組織設計。
3.4 系統(tǒng)安全審計
本架構設計了完備的行為捕獲和記錄系統(tǒng)，對系統(tǒng)關鍵執(zhí)行動作留有記錄，對用戶的操作和行蹤留有日志，同時記錄了非法用戶的入侵嘗試，且滿足不可抵賴性，形成可靠證據(jù)。尤其是用戶和安全管理員的所有操作，是系統(tǒng)監(jiān)控的重點。企業(yè)安全審計人員可以隨時調(diào)取這些記錄，進行審計，一旦發(fā)現(xiàn)有違反安全策略的行為，即可對行為后果進行調(diào)查，采取相應處理措施。
3.5 會話安全策略
HTTP是一個無狀態(tài)的協(xié)議，此協(xié)議無法維護兩個事務之間的聯(lián)系，而MES系統(tǒng)的大量應用需要與用戶進行交互操作，并且記錄這些交互，這就需要保持會話狀態(tài)。會話狀態(tài)通常需要在客戶端cookie中記錄用戶信息，或者是在服務器端session中記錄，但也需要在用戶請求與服務器應用程序間傳遞一個會話ID，這些信息都會成為攻擊的對象，一旦被竊取，會話就可能被冒用，成為會話劫持，造成超越權限的訪問和數(shù)據(jù)操作。為防范此類攻擊，一方面對用戶信息、會話ID等薄弱環(huán)節(jié)采取加密措施，增加截獲難度。另一方面制定安全策略監(jiān)視會話狀態(tài)，進行會話鎖定和異常保護及報警。
會話鎖定：提供交互式會話的鎖定和解鎖能力及終止會話能力。在會話進入非活動周期后對終端進行鎖定或結束會話。在用戶的靜止期超過規(guī)定的值時，通過以下方式鎖定該用戶的交互式會話：(1)在顯示設備上清除或涂抹，使當前的內(nèi)容不可讀;(2)取消會話解鎖之外的所有用戶數(shù)據(jù)的存取/顯示的任何活動;(3)在會話解鎖之前再次進行身份鑒別。
異常保護及報警：在會話期間通過用戶請求進行監(jiān)視分析用戶操作行為，對異常行為采取操作保護動作，并產(chǎn)生記錄和報警，如頻繁、重復的數(shù)據(jù)操作，或者同一用戶在不同地點創(chuàng)建多個會話的請求等等。
3.6 Web安全防護策略
基于Web的MES系統(tǒng)遭受的典型網(wǎng)絡攻擊事件包括SQL注入、cookie破壞、會話劫持、目錄遍歷以及緩沖區(qū)溢出等，只有建立涵蓋事前、事中、事后的綜合防控體系，事前及時識別隱患和漏洞并采取修補措施，事中實時監(jiān)測，積極防御，早發(fā)現(xiàn)，早處置，才能將風險和損失降到最小。
本架構針對Web設計了安全防護策略，實現(xiàn)自動化的Web漏洞檢測，以及對網(wǎng)頁被掛馬、網(wǎng)頁被篡改、網(wǎng)頁出現(xiàn)敏感信息、系統(tǒng)被拒絕服務等攻擊事件的一體化監(jiān)測預警。從而幫助企業(yè)構建自動化的系統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)，第一時間掌握MES應用的安全狀況，降低系統(tǒng)安全風險，增強安全防護等級。
4 MES系統(tǒng)運行安全的防護措施
MES系統(tǒng)的運行安全不能僅僅依靠MES自身的安全設計，需要根據(jù)企業(yè)對MES的技術經(jīng)濟要求，綜合考慮信息安全技術和安全管理與防護措施。
在物理安全層面，建立MES系統(tǒng)安全運行相適應的安全環(huán)境，包括機房安全防護、設備安全可用、存儲介質安全等。
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全至關重要，需要對數(shù)據(jù)依據(jù)其敏感性進行分類進行不同強度的加密，防止敏感信息泄露。同時數(shù)據(jù)庫要制定有備份和容災措施，數(shù)據(jù)庫管理人員定時對系統(tǒng)進行備份，防止系統(tǒng)數(shù)據(jù)損壞和丟失。一旦在系統(tǒng)崩潰或癱瘓的情況下，可利用備份數(shù)據(jù)迅速將系統(tǒng)恢復起來。
在運行安全方面，通過安全風險分析與評估，制定系統(tǒng)安全運行策略，建立安全檢測與監(jiān)控機制，加強安全審計和系統(tǒng)邊界安全防護，采用防火墻、安全認證、入侵檢測等措施來阻止攻擊，綜合運用數(shù)據(jù)加密和VPN等技術，對包括計算機病毒在內(nèi)的惡意代碼進行必要的安全防護，確保網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩�。運用入侵檢測技術，主動保護MES系統(tǒng)免受攻擊，為MES系統(tǒng)提供了實時保護，是防火墻之后的第二道安全閘門。
依據(jù)國家計算機應急響應中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，信息系統(tǒng)安全問題中的95%是可以通過科學的信息安全管理措施來避免。因此，加強信息安全意識，制定有效的安全運維策略是保障信息安全的重要基礎，已經(jīng)成為企業(yè)管理的一個重要組成部分。
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