隨著兩化融合的不斷深入,工業(yè)控制系統(tǒng)原有的安全漏洞逐漸暴露在互聯(lián)網(wǎng)中。近年來(lái)發(fā)生的工控安全事件表明,攻擊者可以利用這些安全漏洞對(duì)物理世界造成破壞。由于控制網(wǎng)絡(luò)中的傳感和控制數(shù)據(jù)同物理過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系密切,相關(guān)的攻擊和檢測(cè)問(wèn)題成為工控信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)已有攻擊研究的不足之處,結(jié)合近年來(lái)相關(guān)攻擊的研究趨勢(shì),發(fā)掘潛在的隱蔽攻擊方式,并測(cè)試評(píng)估其攻擊效果。然后,根據(jù)潛在攻擊方式的特點(diǎn),設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測(cè)方法,以彌補(bǔ)現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足。具體而言,本文圍繞時(shí)序邏輯隱蔽攻擊問(wèn)題和PID穩(wěn)態(tài)偏差隱蔽攻擊問(wèn)題開展研究工作。針對(duì)兩個(gè)問(wèn)題中攻擊和隱蔽的共同點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種雙環(huán)隱蔽攻擊結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)稱雙環(huán)結(jié)構(gòu),并分別提出了時(shí)序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊和PID穩(wěn)態(tài)偏差雙環(huán)隱蔽攻擊,然后研究了兩種雙環(huán)隱蔽攻擊方式的異常檢測(cè)方法,最后通過(guò)安全測(cè)試平臺(tái)對(duì)提出的攻擊方式和檢測(cè)方法進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下:(1)提出了一種基于周期重放的時(shí)序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊方式。通過(guò)構(gòu)建雙環(huán)隱蔽攻擊結(jié)構(gòu),利用周期重放攻擊來(lái)掩飾時(shí)序邏輯攻擊產(chǎn)生的異常。首先,提出了一種表示控制系統(tǒng)正常時(shí)序邏輯的五元組模型,然后給出了時(shí)序邏輯攻擊模型,并建立了時(shí)序邏輯攻擊的影響評(píng)估模型。之后,提出了周期重放攻擊的隱蔽模型。通過(guò)三罐控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了時(shí)序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊的有效性。(2)提出了一種基于LSSVM的PID穩(wěn)態(tài)偏差雙環(huán)隱蔽攻擊方式。首先設(shè)計(jì)了一種由隱蔽環(huán)和攻擊環(huán)組成的雙環(huán)攻擊結(jié)構(gòu),然后分別提出了 PID穩(wěn)態(tài)偏差攻擊模型和穩(wěn)態(tài)行為隱蔽攻擊模型。前者使受控過(guò)程產(chǎn)生設(shè)定的穩(wěn)態(tài)統(tǒng)計(jì)偏差,后者能夠模擬受控過(guò)程的正常穩(wěn)態(tài)行為,掩飾PID穩(wěn)態(tài)偏差攻擊引起的數(shù)據(jù)異常。在連續(xù)攪拌釜式加熱器仿真控制系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)偏差的設(shè)定值為+10%時(shí),PID穩(wěn)態(tài)偏差攻擊能夠引起+9.9%的統(tǒng)計(jì)偏差;穩(wěn)態(tài)行為隱蔽攻擊產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍比正常數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍更小,難以通過(guò)CUSUM(Cumulative sum)算法檢測(cè)到異常。(3)提出了一種基于四元組規(guī)則的時(shí)序邏輯異常檢測(cè)模型。時(shí)序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊中的隱蔽環(huán)可以使控制器的輸入輸出數(shù)據(jù)表現(xiàn)為正常狀態(tài),難以利用隱蔽環(huán)中的傳感和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè),因此針對(duì)攻擊環(huán)提出了一種基于四元組規(guī)則的時(shí)序邏輯異常檢測(cè)模型。四元組規(guī)則包括規(guī)則編號(hào)、當(dāng)前指令、下一條指令和指令時(shí)長(zhǎng)約束條件。三罐控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,通過(guò)檢測(cè)相鄰控制指令的執(zhí)行順序和指令之間的時(shí)間間隔,可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)時(shí)序邏輯攻擊。(4)提出了一種基于MSD-LSSVM的穩(wěn)態(tài)異常檢測(cè)模型。在PID穩(wěn)態(tài)偏差雙環(huán)隱蔽攻擊中,模擬的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和正常穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)之間存在著差異。本文通過(guò)由均值、標(biāo)準(zhǔn)差和差分構(gòu)成的MSD模塊提取序列數(shù)據(jù)的波動(dòng)和趨勢(shì)特征,并將這些特征數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)SSVM的輸入,訓(xùn)練LSSVM模型,然后提出了基于MSD-LSSVM的穩(wěn)態(tài)異常檢測(cè)模型。利用連續(xù)攪拌釜式加熱器仿真系統(tǒng)中的PID穩(wěn)態(tài)偏差雙環(huán)隱蔽攻擊數(shù)據(jù)分別建立訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在輸入序列長(zhǎng)度相同的情況下,MSD-LSSVM方法在測(cè)試集上的分類準(zhǔn)確率均高于LSSVM、KNN和LSTM三種方法的分類準(zhǔn)確率,且當(dāng)輸入序列長(zhǎng)度為8時(shí),MSD-LSSVM方法在測(cè)試集的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。(5)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙環(huán)隱蔽攻擊與檢測(cè)的安全測(cè)試平臺(tái)。安全測(cè)試平臺(tái)由兩臺(tái)PC機(jī)、一臺(tái)西門子S7-300 PLC和一臺(tái)路由器組成。其中一臺(tái)PC機(jī)上運(yùn)行受控過(guò)程的Simulink仿真程序和S7Security程序,另一臺(tái)PC機(jī)上運(yùn)行TwoLoopSecurity程序�；诖似脚_(tái),分別實(shí)現(xiàn)了時(shí)序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊、PID穩(wěn)態(tài)偏差雙環(huán)隱蔽攻擊及相應(yīng)的異常檢測(cè)方法,驗(yàn)證了上述攻擊方式和檢測(cè)方法的可行性。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP273;TP309
【部分圖文】：

004-2015年ICS份荊跳計(jì)

基于雙環(huán)結(jié)構(gòu)的隱蔽攻擊及其檢測(cè)行攻擊活動(dòng)｜１４］。此外，工程師由于擔(dān)心影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定意主動(dòng)更新安全組件，工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)因?yàn)檐浖聦?dǎo)閉的情況［１５］。??業(yè)控制系統(tǒng)中存在的不安全因素，使其面臨著嚴(yán)峻的信息安現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：??（１）大幅度增長(zhǎng)的攻擊行為??０１０年至２０１５年，工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急響應(yīng)小組收到了?１１７統(tǒng)的信息安全事件報(bào)告？，其各個(gè)年度的分布情況如圖１－２可以看出，２０１０年后，針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊事件呈趨勢(shì)，表明ＩＣＳ己成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的重要目標(biāo)。??

１．２國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀??工業(yè)控制系統(tǒng)的典型控制過(guò)程包括控制回路、人機(jī)接口（ＨＭＩ）和遠(yuǎn)程??診斷與維護(hù)工具三部分ＩＷ，如圖１－３所示。其中，ＨＭＩ用于操作員同控制器??的信息交互；遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)工具可在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)激活啟用；控制回路??一般由控制器、傳感器、執(zhí)行器和受控過(guò)程四部分構(gòu)成，是ＩＣＳ的核心功能??單元。??－３－??
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本文編號(hào)：2846177