工业控制网络安全基础实验平台建设方案V2.2

工业控制网络安全基础实验平台建设方案V2.2
1.引言
工业控制系统在国家关键基础设施中扮演着核心作用。从系统分类的角度出发，在我国的电力、军工、水利、石化天然气、冶金、汽车制造以及交通运输等各大行业中使用较多的工业控制系统包含分布式控制系统（DCS）、监控和数据采集（SCADA）系统和其他控制系统，如可编程逻辑控制器（PLC）等。分布式控制系统（DCS）主要采用统一监控、分布控制的方式运行整个生产过程，具有控制分散、操作统一、管理分级、配置灵活和方便组态的特点。数据采集和监控系统（SCADA）主要实现数据采集功能以及对现场设备进行监控的功能。可编程逻辑控制器（PLC）则在整个工业控制系统的控制层发挥主要作用。从控制方式的角度出发，常见的控制系统包含过程控制系统、离散控制系统以及批量控制系统。过程控制用于需要工业流程生产过程的行业，离散控制多用于制造业加工行业，批量控制系统在工业生产中较多使用半连续控制。
3.5.工业控制系统控制策略研究
工业生产过程的工艺越来越复杂，生产过程中对能源消耗、产品质量、生产效率的最优化要求也是越来越高，因此，有必要对控制系统中控制策略的可用性和有效性进行验证。本实验平台能在计算机中再现一个完整的生产过程，为新型控制策略的研究提供了非常便捷的手段，用户在体验控制策略对生产过程带来的好处之时，也能够亲自测试新控制策略的安全性、稳定性，以进一步提升工艺水平，促进技术进步。
随着计算机和网络技术的发展，特别是信息化与工业化深度融合以及物联网的快速发展，工业控制系统产品越来越多地采用通用协议、通用硬件和通用软件，以各种方式与互联网等公共网络连接，工业控制系统信息安全问题日益突出。与此同时，我国工业控制系统信息安全管理工作中仍存在不少问题，主要是对工业控制系统信息安全问题重视不够，管理制度不健全，相关标准规范缺失，技术防护措施不到位，安全防护能力和应急处置能力不高等，威胁着工业生产安全和社会正常运转。
2
操作员站1
wincc 7.0
西门子人机界面编程，用于火电厂锅炉场景画面编程。
3
step7 v5.4
西门子PLC逻辑组态编程，控制策略编程。
4
操作员站2
IFIX
施耐德人机界面编程，用于火电厂化学水场景画面编程。
5
Unity pro xl v4.0
施耐德PLC逻辑组态编程，控制策略编程。
6
工控可信卫士
2.4.6.可信卫士软件
可信卫士软件用于对实验平台中所有的工程师站、操作员站、数据服务器等主机进行防护。
2.4.7.攻防演练攻击套件
攻防演练攻击套件用于对目标业务系统中的PLC、上位机、工程师站、数据服务器等做模拟攻击。
2.5.软件分布关系
序号
主机编号
安装软件
作用说明
1
黑客站
攻击套件
用于模拟黑客攻击
3.3.工业控制系统人员学习培训
本实验平台中模拟的生产过程可以无限次重启，无论用户有无工程经验、操作实训，无论是学习新内容还是复习各种工艺操作流程，错误了就能从头再来，轻松实现人员学习培训的目标。
3.4.工业控制系统故障模拟演练
当前的生产过程工艺越来越复杂，一个参数错误可能就会导致整个系统故障，用户在这过程中只能从过去发生的故障和理论推导出的故障中学习、防范。本实验平台在计算机中模拟整个生产过程，按用户需求记录保存系统属性参数，并且随时调用，再现某一生产故障，为人员培训、处理预案制定都提供了相当便捷的途径。
3.1.工业控制系统控制过程模拟
用户能够根据实际生产工艺流程，在计算机中搭建控制系统仿真，进行控制系统调试，尝试各种不同参数组合；并且，控制站硬件配置完成后，还能够接入计算机仿真系统，进行控制站控制组态的调试过程。
3.2.工业控制系统操作环境体验
用户无需接触实际工程项目，就能够随时随地体验控制系统仿真，从构建组态到画面操作，均可任意尝试，完全没有实际工程中各种限制和顾虑，不必担心任何系统故障会影响仿真过程。
图2单点实验设备结构图（一）
2.1.网络结构
实验平台的网络分为三层，包括有操作层、控制层、设备层（在架构图中，为了更好的描述典型工业控制网络的结构，增加了管理层，在本实验室项目中，不考虑管理层的设置）。在操作层中部署集中管理平台、漏洞扫描平台，通过集中管理平台管理全网中所有的工业防火墙；通过漏洞扫描平台，对全网中所有设备及系统进行漏洞扫描。在控制层中部署的工业控制系统中关键的控制设备，在本实验平台中就是PLC。每个PLC设备控制具有不同功能的物理设备或系统，从而模拟一个工业现场的不同生产或工艺区域。在PLC上游，部署工业防火墙，对这个区域内的工业控制相关数据进行安全防护。每层具体的描述如下：
3.6.工业控制系统信息安全实验
本实验平台是开放式、增长式的基础实验平台。用户可在此基础上，根据实际需要，自主制定实验方案，如高仿真攻防演练、在线异常监测、抵御保护验证等等。本实验平台支持采用统一的控制对象进行仿真测试，以分析特定的信息安全技术问题在不同控制系统产品中的特性。同时，各控制系统的实时数据、计算构件及算法资源均可在统一的支撑软件平台中共享，并最终进行统一的数据分析处理、检测验证。
2.3.2.操作员站
操作员站用于对工业控制系统控制过程进行实时监控和操作。
2.3.3.数据服务器
历史服务器用于采集工业控制系统运行的实时数据，计算、生成历史数据、报警数据等，并提供工业控制系统运行过程数据的存档和查询功能。
2.3.4.模拟黑客站
模拟黑客主机用于运行针对PLC漏洞的攻击脚本或者利用工程师站的后门及漏洞进行远程渗透从而控制该工程师站进行一系列的安全攻击操作。
为了深入研究工业控制系统的控制过程与特性，并以此为平台，探讨工业控制系统信息安全的关键问题，全面提升我国工业控制系统信息安全水平，现提出工业控制网络安全基础实验平台的设计方案，以期构建自主可控、高可信度、大规模、开放式、增长式实验平台。
2.系统架构
工业控制网络安全基础实验平台的系统架构如图1所示。本实验平台是开放式、增长式的基础实验平台，网络架构整体设计符合典型工业现场的常见网络结构，所选用的工控系统软、硬件方案也具有典型性和代表性，整个实验室平台稳定性好、可信度高、扩展性强。
2.3.8.漏洞扫描平台
漏洞扫描平台用于对目标业务系统中所有设备及系统进行已知漏洞扫描。发现设备和系统存在的缺陷和漏洞。
2.4.软件结构
本实验平台的主要组成软件包括动态系统仿真软件、系统结构组态软件、控制策略组态软件、人机界面组态软件、数据中心管理软件、可信卫士软件、攻防演练攻击套件。
2.4.1.系统结构组态软件
3.6.1.关键控制器的安全防护
在本实验平台中，部署工业防火墙实现对工程师站、操作员站和PLC系统的攻击防护，检测网络中的异常报文、阻止网络的异常流量，并通过实时告警和日志的形式告知管理人员工控网络中的安全事件，使其得到解决，保障工控网络的安全。
3.6.2.工控主机安全加固
可信卫士软件用于对实验平台中所有的工程师站、操作员站、数据服务器中运行的程序和进程进行控制，并对移动存储设备进行严格的读写控制。
在本方案中，设计四套单点实验设备，以满足用户学习实验的需要。
2.3.硬件结构
本实验平台的主要组成硬件包括工程师站、操作员站、数据服务器、模拟黑客主机、工业防火墙、统一管理平台、漏洞扫描平台、PLC。
2.3.1.工程师站
工程师站用于工业控制系统工程的组态以及系统运行状态的诊断。其中，工业控制系统工程组态包括系统结构组态、控制策略组态、人机界面组态等。
2.4.2.控制策略组态软件
控制策略组态软件用于控制算法构建、装载、监控与调试。控制策略组态软件将各种不同的控制算法封装为控制组态元件后，按照一定的拓扑排列演化出千变万化的控制策略，能够适应各种不同的控制类型，为不同行业用户提供了一个标准、通用的组态环境。
2.4.3.人机界面组态软件
人机界面组态软件用于人机交互环境构建与生产控制过程的实时监控。通过人机界面组态元件，将种类繁多的工艺设备抽象为有限个组态元件，实现无脚本组态实现方式；同时提供实时趋势、历史趋势、实时报警、历史报警、操作日志、智慧导航、操作记忆、CCTV智能联动等功能，为运行人员的操作提供了极大的便利。
3.平台功能
本实验平台能够在计算机中完全模拟控制站运行和生产现场的工艺过程，从大规模的电厂、化工厂，到中小型的污水处理过程、交通信号控制，都能在一台计算机中实现。
本实验平台控制系统的配置可实现与工业现场完全一致；应用程序的设计与工业现场完全一致。用于操作环境体验，包括运行人员全方位操作演练、学习培训、故障模拟演练等；控制系统模拟调试，包括控制系统的网络通信负荷测试；控制系统的控制功能闭环测试；控制系统的人机操作功能测试；可对控制策略的可用性和有效性进行研究，提升控制策略的优化效率和效果；同时可在此基础上自主构造控制系统信息安全实验，分析特定的信息安全技术问题在不同控制系统产品中的特性。
系统结构组态软件用于工业控制系统的结构配置与组态。系统结构组态软件以面向控制对象的组态形式，采用多级编码结构，系统数据层次分明。以设备为基本组成单位，提供标准的设备模板库，帮助用户迅速构建出工程管理架构和IO体系。将工业自动化系统的所有数据信息以设备为集合，有效的提升了对数据信息的管理和维护的效率。
工控主机安全软件
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操作员站3
TP manager
腾控人机界面编程软件，用于交通灯场景触摸屏画面编程。
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Multip ROG 5.35
腾控PLC逻辑组态编程。
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工程师站
KING VIEW+Modscan
数据仿真及统一管理平台硬件管理
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数据服务器
OPC Server
数据采集及传输
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工控可信卫士
工控主机安全软件
2.3.5.PLC
PLC用于控制工业生产过程，输出控制信号，接收现场设备状态反馈，并以此为基础进行控制调节。