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)同物理過程的運行狀態(tài)關(guān)系密切,相關(guān)的攻擊和檢測問題成為工控信息安全領(lǐng)域的研究熱點。本文針對已有攻擊研究的不足之處,結(jié)合近年來相關(guān)攻擊的研究趨勢,發(fā)掘潛在的隱蔽攻擊方式,并測試評估其攻擊效果。然后,根據(jù)潛在攻擊方式的特點,設(shè)計相應(yīng)的檢測方法,以彌補現(xiàn)有檢測方法的不足。具體而言,本文圍繞時序邏輯隱蔽攻擊問題和PID穩(wěn)態(tài)偏差隱蔽攻擊問題開展研究工作。針對兩個問題中攻擊和隱蔽的共同點,設(shè)計了一種雙環(huán)隱蔽攻擊結(jié)構(gòu),簡稱雙環(huán)結(jié)構(gòu),并分別提出了時序邏輯雙環(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方法,最后通過安全測試平臺對提出的攻擊方式和檢測方法進行了可行性驗證。本文的主要研究內(nèi)容及取得的成果如下:(1)提出了一種基于周期重放的時序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊方式。通過構(gòu)建雙環(huán)隱蔽攻擊結(jié)構(gòu),利用周期重放攻擊來掩飾時序邏輯攻擊產(chǎn)生的異常。首先,提出了一種表示控制系統(tǒng)正常時序邏輯的五元組模型,然后給出了時序邏輯攻擊模型,并建立了時序邏輯攻擊的影響評估模型。之后,提出了周期重放攻擊的隱蔽模型。通過三罐控制系統(tǒng)仿真實驗,驗證了時序邏輯雙環(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。前者使受控過程產(chǎn)生設(shè)定的穩(wěn)態(tài)統(tǒng)計偏差,后者能夠模擬受控過程的正常穩(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)中的實驗結(jié)果表明,當偏差的設(shè)定值為+10%時,PID穩(wěn)態(tài)偏差攻擊能夠引起+9.9%的統(tǒng)計偏差;穩(wěn)態(tài)行為隱蔽攻擊產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)的波動范圍比正常數(shù)據(jù)的波動范圍更小,難以通過CUSUM(Cumulative sum)算法檢測到異常。(3)提出了一種基于四元組規(guī)則的時序邏輯異常檢測模型。時序邏輯雙環(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)進行異常檢測,因此針對攻擊環(huán)提出了一種基于四元組規(guī)則的時序邏輯異常檢測模型。四元組規(guī)則包括規(guī)則編號、當前指令、下一條指令和指令時長約束條件。三罐控制系統(tǒng)仿真實驗的結(jié)果表明,通過檢測相鄰控制指令的執(zhí)行順序和指令之間的時間間隔,可以及時地發(fā)現(xiàn)時序邏輯攻擊。(4)提出了一種基于MSD-LSSVM的穩(wěn)態(tài)異常檢測模型。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。本文通過由均值、標準差和差分構(gòu)成的MSD模塊提取序列數(shù)據(jù)的波動和趨勢特征,并將這些特征數(shù)據(jù)作為LSSVM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、測試集和驗證集。實驗結(jié)果表明,在輸入序列長度相同的情況下,MSD-LSSVM方法在測試集上的分類準確率均高于LSSVM、KNN和LSTM三種方法的分類準確率,且當輸入序列長度為8時,MSD-LSSVM方法在測試集的準確率達到100%。(5)設(shè)計實現(xiàn)了雙環(huán)隱蔽攻擊與檢測的安全測試平臺。安全測試平臺由兩臺PC機、一臺西門子S7-300 PLC和一臺路由器組成。其中一臺PC機上運行受控過程的Simulink仿真程序和S7Security程序,另一臺PC機上運行TwoLoopSecurity程序�；诖似脚_,分別實現(xiàn)了時序邏輯雙環(huán)隱蔽攻擊、PID穩(wěn)態(tài)偏差雙環(huán)隱蔽攻擊及相應(yīng)的異常檢測方法,驗證了上述攻擊方式和檢測方法的可行性。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：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

基于雙環(huán)結(jié)構(gòu)的隱蔽攻擊及其檢測行攻擊活動｜１４］。此外，工程師由于擔心影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定意主動更新安全組件，工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)過因為軟件更新導(dǎo)閉的情況［１５］。??業(yè)控制系統(tǒng)中存在的不安全因素，使其面臨著嚴峻的信息安現(xiàn)在以下兩個方面：??（１）大幅度增長的攻擊行為??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)的信息安全事件報告？，其各個年度的分布情況如圖１－２可以看出，２０１０年后，針對工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊事件呈趨勢，表明ＩＣＳ己成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的重要目標。??

１．２國內(nèi)外研究現(xiàn)狀??工業(yè)控制系統(tǒng)的典型控制過程包括控制回路、人機接口（ＨＭＩ）和遠程??診斷與維護工具三部分ＩＷ，如圖１－３所示。其中，ＨＭＩ用于操作員同控制器??的信息交互；遠程診斷與維護工具可在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時激活啟用；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：2846177