Các biện pháp bảo mật HMI (tường lửa, VPN) trong sản xuất công nghiệp: Lá chắn cho hệ thống điều khiển

Giao diện người-máy (HMI) đóng vai trò trung tâm trong mọi quy trình sản xuất công nghiệp hiện đại, cung cấp khả năng trực quan hóa và điều khiển các hoạt động phức tạp. Tuy nhiên, với sự gia tăng kết nối mạng trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 và IIoT (Industrial Internet of Things), HMI ngày càng trở thành mục tiêu hấp dẫn của các cuộc tấn công mạng, đòi hỏi các biện pháp bảo mật mạnh mẽ. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích tầm quan trọng của bảo mật HMI, tập trung vào vai trò cốt lõi của tường lửa công nghiệp và Mạng riêng ảo (VPN), đồng thời giới thiệu các biện pháp bảo mật thiết yếu khác cùng những thách thức khi triển khai, nhằm giúp doanh nghiệp xây dựng một hệ thống phòng thủ vững chắc cho tài sản sản xuất của mình.

1. Tầm quan trọng của bảo mật HMI

HMI đóng vai trò then chốt trong vận hành sản xuất, và việc bảo mật chúng là tối quan trọng để bảo vệ toàn bộ quy trình. HMI là điểm tương tác quan trọng giữa con người và hệ thống điều khiển công nghiệp, nơi các lệnh điều khiển được nhập vào và thông tin trạng thái được hiển thị, quyết định hoạt động của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Do đó, bất kỳ sự cố bảo mật nào tại HMI đều có thể gây ra hậu quả trực tiếp và nghiêm trọng.

HMI là mục tiêu tiềm năng cho các cuộc tấn công mạng nhằm gây gián đoạn sản xuất hoặc phá hoại thiết bị, bởi lẽ việc chiếm quyền kiểm soát HMI cho phép kẻ tấn công thao túng các thông số vận hành, dừng hệ thống hoặc gây hư hại vật lý cho máy móc. Các loại hình tấn công như ransomware có thể mã hóa dữ liệu trên HMI, khiến người vận hành không thể truy cập, hoặc phần mềm độc hại có thể làm hỏng firmware HMI, khiến thiết bị không hoạt động.

Bảo mật HMI giúp bảo vệ tính toàn vẹn, sẵn có và bảo mật của dữ liệu và quy trình sản xuất, đảm bảo rằng thông tin hiển thị là chính xác, hệ thống luôn sẵn sàng hoạt động và dữ liệu sản xuất nhạy cảm không bị rò rỉ. Việc này là cần thiết để duy trì năng suất sản xuất và sự ổn định của chuỗi cung ứng.

Cuối cùng, việc triển khai các biện pháp bảo mật HMI giúp ngăn chặn các mối đe dọa đã biết, như phần mềm độc hại, truy cập trái phép, và giảm thiểu rủi ro từ các cuộc tấn công mới chưa được biết đến. Trong một môi trường công nghiệp ngày càng kết nối, nơi các hệ thống OT (Operational Technology) đang hội tụ với IT (Information Technology), bảo mật HMI trở thành một lớp phòng thủ không thể thiếu để bảo vệ toàn bộ hạ tầng điều khiển.

2. Tường lửa công nghiệp (Industrial Firewall)

Tường lửa công nghiệp (Industrial Firewall) là một thành phần bảo mật thiết yếu, được thiết kế đặc biệt để bảo vệ các mạng lưới Công nghệ Vận hành (OT) khỏi các mối đe dọa mạng, bao gồm cả HMI.

Tường lửa công nghiệp là một thiết bị hoặc phần mềm mạng kiểm soát lưu lượng dữ liệu đi vào và đi ra khỏi mạng dựa trên một bộ quy tắc bảo mật được xác định trước, khác với tường lửa IT thông thường ở chỗ chúng được tối ưu hóa cho các giao thức công nghiệp và môi trường khắc nghiệt. Chức năng chính của tường lửa công nghiệp là tạo ra một ranh giới bảo mật, chỉ cho phép các kết nối hợp lệ đi qua và chặn mọi truy cập không được phép.

Vai trò của tường lửa trong bảo mật HMI là vô cùng quan trọng, bắt đầu bằng việc thực hiện phân đoạn mạng (Network Segmentation). Tường lửa công nghiệp giúp tách biệt mạng OT khỏi mạng IT doanh nghiệp, giảm thiểu nguy cơ lây lan tấn công từ môi trường văn phòng sang môi trường sản xuất.

Thậm chí trong mạng OT, nó còn có thể chia nhỏ thành các khu vực (Zone Boundaries) riêng biệt, ví dụ: tách HMI khỏi PLC và các thiết bị khác, giới hạn phạm vi tác động của một cuộc tấn công. Tường lửa còn thực hiện lọc lưu lượng (Traffic Filtering) một cách tinh vi, kiểm soát gói tin dựa trên địa chỉ IP nguồn/đích, số cổng, và loại giao thức. Điều này cho phép doanh nghiệp chỉ cho phép các giao thức và cổng cần thiết cho hoạt động của HMI và PLC, chặn mọi lưu lượng không mong muốn.

Chức năng này cũng giúp ngăn chặn truy cập trái phép từ bên ngoài hoặc từ các phân đoạn mạng không đáng tin cậy. Một số tường lửa công nghiệp cao cấp còn tích hợp các tính năng phát hiện và ngăn chặn xâm nhập (IDS/IPS), chủ động nhận diện và chặn các hành vi tấn công mạng. Để triển khai tường lửa hiệu quả cho HMI, doanh nghiệp nên đặt tường lửa tại các điểm ranh giới mạng quan trọng.

Cần cấu hình quy tắc tường lửa theo nguyên tắc “mặc định từ chối” (Deny by Default), nghĩa là chặn tất cả các lưu lượng trừ khi có quy tắc cho phép rõ ràng. Điều này đảm bảo chỉ các kết nối đã được phê duyệt mới có thể đi qua.

Việc chỉ cho phép các giao thức và cổng cần thiết (ví dụ: Modbus TCP, Ethernet/IP trên các cổng cụ thể) là cực kỳ quan trọng để thu hẹp bề mặt tấn công. Cuối cùng, cập nhật firmware của tường lửa và các quy tắc tường lửa thường xuyên là điều bắt buộc để đối phó với các mối đe dọa mới.

3. Mạng riêng ảo (VPN – Virtual Private Network)

Mạng riêng ảo (VPN – Virtual Private Network) là một công nghệ mã hóa cho phép tạo ra một kết nối bảo mật qua một mạng công cộng như Internet, đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ truy cập từ xa đến HMI. VPN là gì? Nó là một công nghệ tạo ra một “đường hầm” an toàn (secure tunnel) qua mạng Internet công cộng hoặc mạng nội bộ không đáng tin cậy. Dữ liệu truyền qua VPN được mã hóa, bảo vệ khỏi việc bị nghe lén hoặc giả mạo.

VPN hoạt động bằng cách thiết lập một kết nối được mã hóa giữa thiết bị của người dùng (ví dụ: máy tính xách tay của kỹ thuật viên) và mạng công nghiệp, làm cho lưu lượng truy cập xuất hiện như thể nó đến từ bên trong mạng nội bộ. Vai trò của VPN trong bảo mật HMI là đặc biệt quan trọng cho truy cập từ xa an toàn.

Nó cho phép kỹ thuật viên hoặc nhân viên bảo trì truy cập HMI và các thiết bị OT khác từ xa qua Internet một cách bảo mật, mà không cần phải có mặt trực tiếp tại nhà máy. VPN đảm bảo rằng dữ liệu truyền thông được mã hóa, bảo vệ thông tin quan trọng khỏi bị kẻ tấn công đánh chặn, nghe lén hoặc sửa đổi. Điều này đặc biệt quan trọng khi truyền tải các lệnh điều khiển hoặc dữ liệu quy trình nhạy cảm.

Ngoài ra, VPN còn cung cấp xác thực người dùng mạnh mẽ, đảm bảo rằng chỉ những người dùng được ủy quyền mới có thể thiết lập kết nối VPN và truy cập vào mạng công nghiệp. Điều này thường được kết hợp với tên người dùng/mật khẩu và các phương pháp xác thực mạnh hơn như chứng chỉ số hoặc Xác thực đa yếu tố (MFA).

VPN cũng giúp bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu, đảm bảo rằng dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền tải, tránh các cuộc tấn công MITM. Để triển khai VPN hiệu quả cho HMI, doanh nghiệp nên chọn giải pháp VPN mạnh mẽ, được thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn bảo mật công nghiệp và tương thích với các thiết bị mạng hiện có.

Việc sử dụng xác thực mạnh mẽ cho kết nối VPN là bắt buộc, ví dụ: yêu cầu chứng chỉ số trên thiết bị người dùng hoặc triển khai MFA. Cần cấu hình VPN chỉ cho phép truy cập vào các tài nguyên HMI/OT cần thiết (Least Privilege), không cho phép truy cập vào toàn bộ mạng để giảm thiểu rủi ro. Cuối cùng, giám sát các phiên VPN và ghi log hoạt động của người dùng VPN là rất quan trọng để theo dõi các hành vi bất thường và phục vụ cho việc kiểm toán.

4. Các biện pháp bảo mật HMI thiết yếu khác

Ngoài tường lửa và VPN, một chiến lược bảo mật HMI toàn diện đòi hỏi nhiều lớp phòng thủ khác nhau để tối đa hóa khả năng chống chịu trước các mối đe dọa.

Dưới đây là bảng tổng hợp các biện pháp bảo mật HMI thiết yếu:

Biện pháp bảo mật	Mô tả chi tiết
Tường lửa công nghiệp	Phân đoạn mạng, lọc lưu lượng, ngăn chặn truy cập trái phép.
VPN	Truy cập từ xa an toàn, mã hóa dữ liệu, xác thực người dùng mạnh mẽ.
Quản lý truy cập	Mật khẩu mạnh, MFA, nguyên tắc đặc quyền tối thiểu.
Cập nhật định kỳ	Vá lỗi phần mềm/firmware, nâng cấp phiên bản.
Giám sát & Ghi log	Theo dõi hoạt động bất thường, lưu trữ nhật ký.
Đào tạo nhận thức	Huấn luyện nhân viên về an ninh mạng công nghiệp.
Bảo mật vật lý	Kiểm soát truy cập vật lý, bảo vệ thiết bị.
Chính sách thiết bị ngoại vi	Kiểm soát & quét virus USB/thiết bị di động.

4.1. Quản lý truy cập và xác thực mạnh mẽ

Việc triển khai quản lý truy cập và xác thực mạnh mẽ là cực kỳ quan trọng. Điều này bao gồm việc yêu cầu mật khẩu mạnh cho tất cả tài khoản HMI và hệ thống liên quan, đồng thời thay đổi mật khẩu định kỳ. Xác thực đa yếu tố (MFA) nên được áp dụng cho các tài khoản quản trị viên hoặc truy cập quan trọng, cung cấp một lớp bảo vệ bổ sung. Quan trọng nhất là tuân thủ nguyên tắc đặc quyền tối thiểu (Least Privilege), chỉ cấp cho người dùng quyền truy cập tối thiểu cần thiết để thực hiện công việc của họ.

4.2. Cập nhật phần mềm và firmware định kỳ

Để khắc phục các lỗ hổng đã biết, doanh nghiệp phải cập nhật phần mềm và firmware định kỳ. Luôn cài đặt các bản vá bảo mật do nhà sản xuất phát hành càng sớm càng tốt sau khi kiểm tra tính tương thích. Việc nâng cấp firmware HMI và phần mềm ứng dụng lên các phiên bản mới nhất cũng giúp hưởng lợi từ các cải tiến bảo mật và các bản vá lỗi tích lũy.

4.3. Giám sát và ghi log hoạt động

Giám sát và ghi log hoạt động là cần thiết để phát hiện sớm các dấu hiệu tấn công hoặc hành vi bất thường. Hệ thống HMI và các thiết bị mạng OT nên được cấu hình để theo dõi các hoạt động bất thường, các nỗ lực truy cập trái phép, và các thay đổi trong cấu hình. Tất cả nhật ký hoạt động cần được lưu trữ an toàn và có thể truy xuất để phân tích và điều tra sự cố khi cần thiết.

4.4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về an ninh mạng công nghiệp (OT Security Awareness)

Yếu tố con người là mắt xích yếu nhất trong chuỗi bảo mật, do đó, đào tạo và nâng cao nhận thức về an ninh mạng công nghiệp (OT Security Awareness) là tối quan trọng. Doanh nghiệp cần huấn luyện nhân viên (cả người vận hành và kỹ thuật viên) về các mối đe dọa an ninh mạng phổ biến, cách nhận biết phishing, và cách phòng tránh các hành vi rủi ro như cắm USB lạ. Việc xây dựng văn hóa an toàn thông tin trong nhà máy, nơi mọi nhân viên đều hiểu và tuân thủ các chính sách bảo mật, là điều cần thiết.

4.5. Bảo mật vật lý

Bên cạnh các biện pháp an ninh mạng, bảo mật vật lý cũng đóng vai trò quan trọng. Cần kiểm soát truy cập vào khu vực đặt HMI và các thiết bị điều khiển quan trọng, chỉ cho phép những người có thẩm quyền vào. Việc bảo vệ HMI khỏi bị can thiệp vật lý, như gắn chặt vào tủ điều khiển và sử dụng khóa, giúp ngăn chặn kẻ tấn công thao tác trực tiếp hoặc cắm thiết bị độc hại.

4.6. Chính sách bảo mật thiết bị ngoại vi

Để kiểm soát rủi ro từ các thiết bị vật lý bên ngoài, cần có chính sách bảo mật thiết bị ngoại vi chặt chẽ. Điều này bao gồm việc kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng USB, thiết bị di động và các công cụ chẩn đoán không được ủy quyền. Tất cả các thiết bị ngoại vi cần được quét virus trước khi kết nối với HMI hoặc mạng công nghiệp.

5. Thách thức khi triển khai bảo mật HMI

Mặc dù các biện pháp bảo mật HMI là cần thiết, việc triển khai chúng trong môi trường công nghiệp thường đối mặt với nhiều thách thức đặc thù. Hệ thống cũ (Legacy Systems) là một thách thức lớn, bởi nhiều nhà máy vẫn đang vận hành các HMI và hệ thống điều khiển cũ không được thiết kế với các tính năng bảo mật hiện đại.

Các hệ thống này thường khó tích hợp các giải pháp bảo mật hiện đại hoặc không tương thích với các giao thức bảo mật mới nhất. Việc triển khai bảo mật HMI có thể rất phức tạp và tốn kém, đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn vào phần cứng, phần mềm và dịch vụ tư vấn.

Nó cũng yêu cầu chuyên môn cao về cả công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT), vốn là một nguồn nhân lực hạn chế trong nhiều tổ chức. Mọi thay đổi trong môi trường sản xuất đều tiềm ẩn tác động đến hoạt động sản xuất, với nguy cơ gián đoạn hoặc cấu hình sai có thể dẫn đến thời gian dừng máy (Downtime).

Do đó, việc triển khai phải được thực hiện cẩn thận, thường thông qua các giai đoạn thử nghiệm và triển khai từng bước. Ngoài ra, thiếu chuyên gia bảo mật OT là một thách thức đáng kể, bởi thị trường lao động hiện tại chưa có đủ nhân sự có kiến thức chuyên sâu về cả an ninh mạng và hệ thống điều khiển công nghiệp.

Cuối cùng, sự khác biệt giữa bảo mật IT và OT cũng tạo ra thách thức. Trong khi bảo mật IT ưu tiên bảo mật và tính toàn vẹn, bảo mật OT lại ưu tiên tính sẵn có (Availability) và thời gian thực (Real-time) của hệ thống. Điều này đòi hỏi các giải pháp bảo mật phải không ảnh hưởng đến hoạt động liên tục và hiệu suất của HMI.

6. Kết luận

Việc bảo vệ HMI khỏi các mối đe dọa bảo mật là một yếu tố không thể thiếu để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các hệ thống trong sản xuất công nghiệp. Trong đó, tường lửa công nghiệp và VPN đóng vai trò là những lá chắn cơ bản nhưng vô cùng mạnh mẽ, bảo vệ HMI khỏi các cuộc tấn công từ bên ngoài và đảm bảo truy cập từ xa an toàn. Tuy nhiên, việc triển khai một chiến lược bảo mật toàn diện không chỉ dừng lại ở hai công cụ này. Nó đòi hỏi một cách tiếp cận đa lớp, kết hợp chặt chẽ giữa các biện pháp kỹ thuật tiên tiến như quản lý truy cập mạnh mẽ, cập nhật phần mềm định kỳ, giám sát liên tục, cùng với các yếu tố con người như đào tạo và nâng cao nhận thức về an ninh mạng