Purdue Model 是什麼:深度解析工業控制系統的分層安全架構與應用

在現代工業領域,確保營運技術(OT)環境的安全與效率至關重要。隨著數位化轉型的加速,工業控制系統(ICS)面臨前所未有的網路安全挑戰。而談到工業控制系統的網路架構與安全規劃,就不得不提一個核心概念——Purdue Model(普渡模型)

何謂 Purdue Model?

Purdue Model,又稱作 Purdue Enterprise Reference Architecture(PERA),是由美國普渡大學在1990年代初期提出的一套工業控制系統(ICS)的分層架構參考模型。其核心思想是將工業控制網路從上到下劃分為多個邏輯層級,旨在提供一個清晰的框架,用以規劃、設計、實施和管理工業系統中的資訊流、控制功能以及最重要的——網路安全隔離

這個模型的提出,是為了應對當時工業自動化系統日益複雜化,以及資訊科技(IT)與營運技術(OT)之間界線逐漸模糊的趨勢。它提供了一個標準化的方式來理解和描述工業控制系統的內部運作,特別強調了不同層級之間明確的通訊路徑和安全邊界,以有效降低潛在的網路攻擊風險。

值得一提的是,Purdue Model 的概念後來被廣泛採納,並成為國際自動化學會(ISA)的 ISA-95 標準(企業與控制系統整合模型)的重要基礎。ISA-95 進一步定義了企業營運與生產控制之間不同層級的功能和資訊流,而 Purdue Model 則更專注於底層控制系統的分層架構及其安全意涵。

Purdue Model 的主要目標是:

  • 定義功能邊界: 明確各層級的功能職責。
  • 建立通訊流: 規範不同層級之間的資料傳輸方式。
  • 強化安全隔離: 提供清晰的網路分割點,以限制惡意軟體或攻擊的橫向移動。
  • 促進IT/OT整合: 在確保安全的前提下,促進資訊科技與營運技術的協同作業。

Purdue Model 的層級結構:深度解析

Purdue Model 將工業控制系統的運作劃分為數個層級,從最底層的物理流程到最上層的企業業務系統。以下將詳細介紹各層級的功能與特性:

Purdue Model 層級劃分 (ISA-95 標準中常將其對應為 Level 0 到 Level 4/5):

Level 0:實體流程 (Physical Process)

  • 功能: 這是工業控制系統的最低層,直接與實體生產設備互動。它包括各種感測器、執行器、馬達、閥門等,負責感知物理狀態(如溫度、壓力、流量)並執行物理動作。
  • 特性: 沒有網路連接。這些設備透過有線或無線訊號直接連接到 Level 1 的控制器。
  • 範例: 溫度感測器、壓力變送器、輸送帶馬達、開關、泵浦。

Level 1:基本控制 (Basic Control)

  • 功能: 負責直接控制 Level 0 的實體設備。這一層的設備接收來自感測器的訊號,並根據預設的控制邏輯發出指令給執行器。它們通常是獨立運作,或透過現場匯流排(Fieldbus)連接到同一層的其他設備。
  • 特性: 具備即時響應能力,網路連接通常是專用的工業協議(如Modbus TCP、Profinet、EtherNet/IP),網路範圍有限。
  • 範例: 可程式邏輯控制器(PLC)、遠端終端單元(RTU)、分散式控制系統(DCS)的控制器模組。

Level 2:區域監控 (Area Supervisory Control)

  • 功能: 提供對 Level 1 設備的監控、操作和管理介面。操作員透過這一層的人機介面(HMI)監控流程狀態、調整參數、發出控制指令,並儲存即時歷史數據。
  • 特性: 通常部署在控制室內,連接到 Level 1 的控制器,並可能與 Level 3 的系統進行有限的資料交換。網路通常使用標準的乙太網協議,但仍保持與上層 IT 網路的物理或邏輯隔離。
  • 範例: 監控與資料採集系統(SCADA)工作站、分散式控制系統(DCS)操作站、本地歷史資料庫。

Level 3:廠區營運管理 (Site Manufacturing Operations Management)

  • 功能: 負責整個廠區的生產營運管理。這一層協調生產流程、排程、品質管理、庫存管理和維護作業。它將企業層級的生產計畫轉化為可執行的操作指令,並將生產數據匯報給企業層級。
  • 特性: 資訊系統與控制系統的交界。它收集來自 Level 2 的數據,並與 Level 4 的企業系統進行雙向通訊。網路通常是標準的乙太網,但會透過防火牆等安全設備與 Level 4 隔離。
  • 範例: 製造執行系統(MES)、批次管理系統、生產排程系統、品質管理系統、實驗室資訊管理系統(LIMS)。

Level 4:企業規劃與物流 (Business Planning & Logistics)

  • 功能: 這是傳統的企業資訊科技(IT)層,負責整個公司的業務營運,包括訂單管理、採購、銷售、財務、人力資源等。它不直接參與生產控制,但根據市場需求和生產能力制定總體生產計畫。
  • 特性: 廣域網路(WAN)連接,標準的 IT 協議和應用程式。與 Level 3 之間通常設有嚴格的防火牆和資料閘道(DMZ),以保護 OT 網路不受企業網路威脅的影響。
  • 範例: 企業資源規劃系統(ERP)、客戶關係管理系統(CRM)、供應鏈管理系統(SCM)。

有時候,Purdue Model 也會討論到 Level 5,即所謂的「企業網路(Enterprise Network)」,它代表了與外部網際網路相連的更高層次,強調與供應商、客戶和其他業務夥伴的互動。但在ICS安全的脈絡下,Level 4 通常已經涵蓋了企業IT層面的所有功能。

Purdue Model 為何如此重要?

在當今複雜且威脅日益增長的工業環境中,Purdue Model 的重要性體現在多個方面:

1. 強化網路安全 (Enhanced Cybersecurity)

這是 Purdue Model 最核心的價值之一。透過嚴格的分層和網路隔離(通常透過防火牆和資料二極體等設備實現),它可以有效阻止網路攻擊在不同層級之間橫向移動。即使企業網路(Level 4)受到攻擊,威脅也難以直接蔓延到 Level 3 甚至更低的控制層,從而保護關鍵的生產營運不被中斷或破壞。這種「深度防禦」策略是ICS安全架構的基石。

2. 提升營運效率 (Improved Operational Efficiency)

清晰的分層結構有助於明確各層級的功能和資料流,減少不必要的通訊和資料混亂。這使得故障排除更加容易,系統維護更加高效。同時,標準化的介面和通訊協定有助於不同廠商設備和軟體之間的整合,提升整體營運效率。

3. 簡化系統整合 (Simplified System Integration)

Purdue Model 提供了一個框架,使得新系統或設備的整合更加有條不紊。工程師可以根據預定義的層級和介面進行規劃,避免系統間的衝突,並確保資料的正確傳輸。這對於在不同時期部署的異構系統尤其有益。

4. 明確職責劃分 (Clear Responsibility Allocation)

Purdue Model 幫助企業明確 IT 部門和 OT 部門在系統管理和安全維護方面的職責。通常,IT 部門主要負責 Level 4,而 OT 部門則負責 Level 0 到 Level 3。這種劃分有助於減少權責不清導致的疏漏,並促進兩個部門之間的協作。

5. 風險管理與合規 (Risk Management and Compliance)

許多工業網路安全標準和最佳實踐(如 NIST SP 800-82、IEC 62443)都或多或少地借鑒了 Purdue Model 的分層隔離理念。因此,遵循 Purdue Model 有助於企業識別和管理工業網路中的安全風險,並滿足相關的行業法規和標準要求。

Purdue Model 面臨的挑戰與演進

儘管 Purdue Model 提供了強大且實用的框架,但隨著工業4.0、工業物聯網(IIoT)和雲端運算的興起,傳統的嚴格分層模式也面臨一些挑戰:

  • IT/OT 融合: 傳統的嚴格物理隔離正在被打破,OT 設備需要直接連接到雲端或企業網路進行數據分析和遠端監控,導致數據流向更加複雜。
  • 工業物聯網 (IIoT): 大量的智慧感測器和邊緣設備部署在 Level 0 和 Level 1,它們可能直接具備網路連接能力,增加了網路的複雜性和潛在的攻擊面。
  • 遠端存取: 疫情加速了遠端工作模式的普及,對工業系統的遠端存取需求增加,使得傳統的防火牆邊界防禦面臨考驗。

然而,這並不意味著 Purdue Model 已經過時。相反,其核心原則——「分層隔離」和「深度防禦」——仍然是當代 ICS 安全的基石。在新的環境下,Purdue Model 的應用演變為:

  • 邏輯分區: 即使在物理上更扁平化的網路中,仍然可以透過軟體定義網路(SDN)、微隔離(Micro-segmentation)和虛擬區域網路(VLAN)等技術實現邏輯上的層級隔離。
  • 零信任原則: 將零信任(Zero Trust)安全理念融入 Purdue Model,即「永不信任,始終驗證」,對每個試圖跨越層級邊界或在同一層級內通訊的連線進行嚴格驗證。
  • 更細粒度的控制: 網路安全解決方案從傳統的邊界防火牆發展到入侵檢測/防禦系統(IDS/IPS)、異常行為監測、端點安全等,提供更細緻的防護。

因此,Purdue Model 依然是設計和評估工業網路安全架構的重要參考工具,它為企業提供了一個清晰的思維模型,以應對不斷變化的威脅格局。

Purdue Model 的應用場景

Purdue Model 幾乎適用於所有涉及工業控制系統的行業,特別是在需要高穩定性、高安全性、連續營運的關鍵基礎設施中:

  • 製造業: 汽車、食品飲料、製藥、半導體等,用於規劃生產線的自動化控制系統網路。
  • 電力與能源: 發電廠、變電站、輸配電網,確保電網穩定運行和防止網路攻擊。
  • 石油與天然氣: 鑽井平台、管道運輸、煉油廠,控制複雜的生產和運輸流程。
  • 水處理: 自來水廠、污水處理廠,監控水質和控制供排水系統。
  • 交通運輸: 鐵路、機場、港口,管理訊號系統、監控設備和物流運營。

總結

Purdue Model 作為工業控制系統網路架構的經典參考模型,在確保OT環境的營運彈性和網路安全方面發揮了不可或缺的作用。儘管技術不斷進步,IT與OT融合的趨勢日益明顯,但 Purdue Model 所倡導的分層隔離、最小權限原則和深度防禦理念,依然是設計和實施安全、高效工業控制網路的黃金準則。理解並適應性地運用 Purdue Model,是每個涉足工業自動化和網路安全領域的專業人士必須掌握的基礎知識。

常見問題 (FAQ)

如何評估我的工業網路是否符合 Purdue Model 的最佳實踐?

您可以透過進行全面的網路拓樸分析,識別各層級的設備和通訊路徑,並檢查防火牆、VLAN 或其他安全隔離措施的配置,確認是否有效隔離了不同層級。此外,參考 ISA/IEC 62443 等標準的具體要求,可以幫助您進行更系統的評估。

為何 Purdue Model 仍適用於現代複雜的 OT 環境?

Purdue Model 的核心價值在於其分層和隔離的原則。儘管物理網路可能變得更加扁平,但透過軟體定義網路(SDN)、微隔離、防火牆策略和零信任架構等技術,仍可在邏輯上實現相同的分層隔離效果。這些原則有助於限制網路攻擊的影響範圍,即使在融合的環境中也能提供強健的防禦。

Purdue Model 與 ISA-95 標準有何關係?

Purdue Model 是 ISA-95 標準的基礎之一。Purdue Model 側重於工業控制系統的邏輯分層和網路安全隔離,而 ISA-95(特別是 IEC 62264)則在此基礎上,進一步定義了企業層(Level 4)與生產控制層(Level 3)之間的功能和資訊交換標準,旨在促進企業資源規劃(ERP)系統與製造執行系統(MES)等之間的整合。

如何將 Purdue Model 應用於現有系統的安全性提升?

首先,對現有網路進行盤點和映射,明確哪些設備屬於哪個層級。其次,識別跨層級通訊中存在的漏洞,並部署或加強防火牆、入侵檢測系統(IDS)、應用程式白名單等安全控制措施,以實現或強化各層級之間的邏輯隔離。最終目標是建立一個多層次的「縱深防禦」體系。

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