一種輕量級(jí)SCADA 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

楊 鑫，王啟蒙，陸超杰，朱逸廷，陶 松

（1.國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 201100；2.烽臺(tái)科技（北京）有限公司，北京 100138）

0 引 言

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)景觀正在發(fā)生重大變化。雖然IIoT 提供了緊湊的傳感、開放的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備的無縫連接和對(duì)第三方應(yīng)用的支持，但它也開放了傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)，它被認(rèn)為是工業(yè)4.0 的主要推動(dòng)者[1]。這意味著傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)具有基于ISA 95 的分層架構(gòu)，不同的層在功能上分為不同的組織體系，如現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制、監(jiān)督控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化、企業(yè)級(jí)層[2]。這種開放使得執(zhí)行工廠范圍的控制成為可能，并有助于跨生產(chǎn)線聚合信息，但它也危及整個(gè)系統(tǒng)的安全，因?yàn)楣S范圍的信息可跨不同的平臺(tái)、硬件和服務(wù)獲得。因此，保護(hù)此類系統(tǒng)勢(shì)在必行。在這種情況下，雖然IT 安全更多與信息完整性和對(duì)信息完整性的攻擊相關(guān)，但運(yùn)營(yíng)技術(shù)安全仍處于起步階段[3]。在工業(yè)4.0 體系中，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)需要OT 安全的輕量級(jí)安全機(jī)制。本文的目標(biāo)是為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提出一種基于工控的安全機(jī)制，構(gòu)建一種輕量級(jí)SCADA 系統(tǒng)。

通常，可編程邏輯控制器（PLC）是實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制動(dòng)作的主力。SCADA 主要實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。SCADA 軟件有助于將信息從對(duì)象發(fā)送到計(jì)算機(jī)，并幫助員工分析數(shù)據(jù)以做出重要決策。SCADA 系統(tǒng)主要用于各種復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)景，如電力能源、供熱供水等領(lǐng)域[4-5]。

1 基礎(chǔ)核心元件

1.1 可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器（PLC）將從與之相連的設(shè)備獲取輸入，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。按照輸入?yún)?shù)中傳遞的指令生成輸出。PLC 將始終監(jiān)控輸入和輸出數(shù)據(jù)，并記錄處理時(shí)間和數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)能力、溫度、啟動(dòng)、停止過程，如果出現(xiàn)故障，將觸發(fā)警報(bào)。

1.2 分布式控制系統(tǒng)（DCS）

分布式控制系統(tǒng)[1]（DCS）是一種完全計(jì)算機(jī)化的控制系統(tǒng)，用于處理帶有多個(gè)控制回路的工廠。該DCS 將嘗試與具有控制器的系統(tǒng)連接，即集中控制。它可以位于中央控制室或系統(tǒng)內(nèi)部。DCS 的目的主要是降低安裝成本以及數(shù)據(jù)恢復(fù)的成本，并通過建立與工廠的遠(yuǎn)程會(huì)話來幫助工廠控制功能的本地化。不僅如此，DCS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路還幫助行業(yè)創(chuàng)建了具有安全功能的大型系統(tǒng)。它將本地系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)集成，大大降低了集成風(fēng)險(xiǎn)。如今，SCADA 和DCS 的工作方式相同，但DCS 主要用于系統(tǒng)安全性要求更高且無法遠(yuǎn)程訪問的情況。

1.3 遠(yuǎn)程終端單元（RTU）

遠(yuǎn)程終端單元（RTU）是微處理器，它在DCS 或SCADA 之間建立通信。RTU 主要監(jiān)控傳感器設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及發(fā)送到中央監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)，它與軟件連接，通過首選通信協(xié)議接收輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，以了解是否需要排除故障。

1.4 人機(jī)界面（HMI）

人機(jī)界面可幫助我們監(jiān)控和顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。有許多因素會(huì)影響機(jī)器的運(yùn)行，如溫度、壓力、液體的流量等。通過控制方法可查看在控制過程中是否保持理想溫度。HMI 用于控制機(jī)器，例如，打開機(jī)器中使用的任何電機(jī)或電磁閥，通過圖形化的手動(dòng)開關(guān)完成。也可以在HMI 中監(jiān)控報(bào)警趨勢(shì)，在大多數(shù)情況下，HMI 與PLC 連接，顯示PLC 數(shù)據(jù)信息，并向PLC 提供輸入[6]。SCADA 體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SCADA 體系結(jié)構(gòu)

1.5 SCADA 體系結(jié)構(gòu)

該架構(gòu)是SCADA 系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，其中，SCADA 處于較高層次，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備被視為較低層次。DCS 能夠存儲(chǔ)生成的數(shù)據(jù)。PLC 將作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制器，遵循ISA 95架構(gòu)[7]。

1.6 SCADA 系統(tǒng)

SCADA 系統(tǒng)[1]是監(jiān)控操作的關(guān)鍵操作機(jī)制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，通過具有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的機(jī)制遠(yuǎn)程訪問本地控制模塊，從不同位置進(jìn)行在線處理操作。本文描述了安全性在SCADA 系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。Raspberry Pi 被添加到系統(tǒng)中，執(zhí)行防火墻操作，保護(hù)系統(tǒng)免受咨詢攻擊。

1.7 樹莓派

Raspberry Pi 是由Raspberry Pi 基金會(huì)在英國(guó)開發(fā)的一系列小型單板計(jì)算機(jī)，旨在促進(jìn)學(xué)校和發(fā)展中國(guó)家的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)。Raspberry Pi 是一種可配置板，尺寸較小，成本較低。我們將為該Raspberry Pi 安裝內(nèi)部操作系統(tǒng)，并使用Ubuntu mate 或Raspbian 操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所需功能。樹莓派擁有一些特殊的功能，如內(nèi)置防火墻，出于安全目的，它將被激活。防火墻的設(shè)置方式應(yīng)使其能夠監(jiān)控相關(guān)日志。SPE 是使用PN800 協(xié)議運(yùn)行的系統(tǒng)軟件，而UC 是系統(tǒng)的PLC。如圖2 所示，服務(wù)器將由使用Modbus 協(xié)議的DCS 模擬器組成。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

1.8 SPE （S 加工程）

SPE 是軟件工具，我們將在其中執(zhí)行PLC 的工程設(shè)計(jì)，例如流程應(yīng)該如何運(yùn)行[6]。它提供了一個(gè)平臺(tái)，可以管理來自多個(gè)來源的數(shù)據(jù)，如果在某一點(diǎn)進(jìn)行了更改，那么它會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中反映這些更改。它還縮短了架構(gòu)準(zhǔn)備時(shí)間，并為工程平臺(tái)提供了工程、配置、安全、通信、HMI 系統(tǒng)所需的功能。

1.9 SPU （S 加操作）

TWM 作為服務(wù)器工作的模擬器工具，將幫助我們以更快的速度檢索數(shù)據(jù)。該工具還支持使用HMI，可以進(jìn)行多種操作。它還管理系統(tǒng)所需的信息和警報(bào)。該模擬器將在Modbus 協(xié)議下工作。

1.10 PN800 協(xié)議

PN800 協(xié)議也稱為SAN（單連接節(jié)點(diǎn)）或DAN（雙連接節(jié)點(diǎn)）。如果存在兩個(gè)類似PN800A 和PN800B 的設(shè)備，則該協(xié)議有助于這兩個(gè)設(shè)備使用相同的IP 地址通信。PN800協(xié)議使用PRP（并行冗余協(xié)議）技術(shù)。

1.11 Modbus 協(xié)議

Modbus 協(xié)議[1]具有請(qǐng)求和響應(yīng)等功能。它支持串行通信技術(shù)，可通過雙線傳輸與多個(gè)設(shè)備通信。Modbus 連接的設(shè)備不會(huì)響應(yīng)請(qǐng)求的開放調(diào)用。設(shè)備會(huì)檢查主機(jī)的請(qǐng)求，當(dāng)主機(jī)的請(qǐng)求錯(cuò)誤時(shí)，從機(jī)將發(fā)送異常錯(cuò)誤。

2 設(shè)計(jì)思路

通過防火墻、IPS[3]和TCPDUMP 等確保SCADA 系統(tǒng)的安全。這種方式有助于防御來自外部世界的攻擊者。

2.1 防火墻

防火墻[5]的實(shí)施對(duì)于創(chuàng)建安全的系統(tǒng)至關(guān)重要。通常，防火墻有不同的類型，如包過濾、應(yīng)用級(jí)防火墻等。

我們采用圖3 所示的應(yīng)用級(jí)防火墻，該防火墻使用代理服務(wù)器作為互聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)部主機(jī)之間的中介連接互聯(lián)網(wǎng)。防火墻的功能是限制網(wǎng)絡(luò)范圍之外的系統(tǒng)訪問。我們將只使用特定的端口和IP 地址從不同的位置訪問系統(tǒng)或工廠。防火墻可幫助我們限制其他人訪問系統(tǒng)。我們?cè)诜阑饓χ袑?shí)施了具有規(guī)則限制集的IP 表，以幫助我們限制端口。同樣，也可以考慮使用defender 防火墻中的過濾器來限制IP地址[8]。

圖3 應(yīng)用級(jí)防火墻

2.2 TCP 轉(zhuǎn)儲(chǔ)

TCP 轉(zhuǎn)儲(chǔ)[2]幫助我們?cè)O(shè)置過濾器，以便我們能夠過濾訪問系統(tǒng)所需的所有地址。我們還可以設(shè)置系統(tǒng)的源和目的地，并且可以在帶有特定端口的TCP 轉(zhuǎn)儲(chǔ)中一次使用多個(gè)濾波器。

2.3 PLC 處理

選用的PLC 為SPC700，一般需要一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)。主機(jī)可以是圖2 所示的計(jì)算機(jī)。使用FC222 作為輸入，F(xiàn)C223 作為輸出，F(xiàn)C224 作為數(shù)字輸入，F(xiàn)C225 作為數(shù)字輸出。數(shù)字輸入/輸出將采用0/1 的形式，這將有助于我們指示SPC700 的操作或功能。每個(gè)FC 電路將由IP 地址、類型和FC 代碼組成，如圖4 所示。PLC 將執(zhí)行從客戶端到PLC的PN800 協(xié)議，以及從PLC 到服務(wù)器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的Modbus協(xié)議。客戶端是連接到圖5 左側(cè)的客戶端。網(wǎng)關(guān)將連接到多個(gè)地址，每個(gè)地址都有自己的輸入。有多個(gè)串行端口，將客戶端連接到其中一個(gè)端口，多個(gè)設(shè)備也可以連接到不同端口的PLC。單個(gè)DCS 可用于訪問多個(gè)帶有分區(qū)的設(shè)備數(shù)據(jù)。

圖4 PLC 流程的內(nèi)部功能

圖5 PLC 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

從圖6 發(fā)現(xiàn)服務(wù)器在左側(cè)，客戶端在右側(cè)。作為服務(wù)器，我們將使用DCS 模擬器，其中包含默認(rèn)數(shù)據(jù)，這將有助于檢查訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程和流量[9]。

圖6 客戶端和服務(wù)器連接

客戶端擁有服務(wù)器系統(tǒng)的IP 地址，可以在客戶端短語中指定或配置數(shù)據(jù)類型。輸入將在FCC222 中給出，如圖4所示。輸入在客戶端提及，控制操作傳遞給PLC。PLC 處理輸入，并將地址數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。最后，安全性[4]是通過為客戶端、PLC 和服務(wù)器等所有設(shè)備分配IP 地址和端口來實(shí)現(xiàn)的。我們?cè)O(shè)置了fail2ban 來分析通過系統(tǒng)中給定網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的日志。為保障安全，將其設(shè)置在PLC 和服務(wù)器之間。如果fail2ban 發(fā)現(xiàn)任何惡意行為，它將在防火墻的過濾器列表中制定規(guī)則，并使防火墻阻止IP 地址，禁止數(shù)據(jù)包進(jìn)入系統(tǒng)。如果在網(wǎng)絡(luò)中檢測(cè)到任何惡意行為，我們可以使用該系統(tǒng)觸發(fā)警報(bào)。如圖3 所示，在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的代理服務(wù)器也將具有一些規(guī)則集[3]。利用這些數(shù)據(jù)，后期可以將人工智能（AI）應(yīng)用到SCADA 系統(tǒng)中，這樣可以把一個(gè)新的控制點(diǎn)位傳播到SCADA 系統(tǒng)，以確保DCS 控制系統(tǒng)的安全[10]。

3 結(jié) 語

SCADA 系統(tǒng)主要用于監(jiān)控工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和過程的系統(tǒng)處理流程。我們已經(jīng)采用了一個(gè)更加安全且靈活的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)使用。本文給出了SCADA 系統(tǒng)安全因素的更多設(shè)計(jì)思路，在單個(gè)工作模塊中有不同的安全組件。Raspberry Pi 將執(zhí)行防火墻的操作，并保護(hù)系統(tǒng)免受攻擊。