信息物理融合的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全技術(shù)研究.pdf

1、以“震網(wǎng)”病毒為代表的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)攻擊將目標(biāo)指向涉及國(guó)計(jì)民生的重大基礎(chǔ)設(shè)施，使得工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全問題上升為國(guó)家安全問題?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題與 IT信息系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，其核心在于控制系統(tǒng)與物理系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，是信息物理融合的系統(tǒng)。目前，對(duì)于控制系統(tǒng)安全問題的研究，學(xué)術(shù)界基本沿用IT系統(tǒng)的相關(guān)理論與方法，無法為類似“震網(wǎng)”病毒的安全問題提供數(shù)學(xué)描述、入侵檢測(cè)方法及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)。因此，應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)安全的挑戰(zhàn)，需要建立一種信

2、息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)融合的全新技術(shù)體系。
　　論文以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究信道層安全協(xié)議、設(shè)備層入侵檢測(cè)、系統(tǒng)層信任管理及安全資源分配等科學(xué)問題，運(yùn)用信息物理融合的方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全技術(shù)體系。
　　首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述。從控制理論角度出發(fā)，引入信息安全概念，分析 NCS信息安全問題的本質(zhì)特點(diǎn)。分析黑客對(duì) NCS通信信道的攻擊行為，建立統(tǒng)一的信道攻擊模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)篡改、竊聽、封鎖、重播等

3、典型報(bào)文攻擊方式的數(shù)學(xué)描述。分析黑客對(duì) NCS控制過程的攻擊行為，引入黑客攻擊函數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行擴(kuò)展，建立欺騙、DoS等典型攻擊手段的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)浪涌、偏差、幾何等典型攻擊策略進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。提出基于安全狀態(tài)集合與失效概率的NCS安全目標(biāo)，為后續(xù) NCS安全技術(shù)研究提供了基本理論框架。
　　為解決網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線安全狀態(tài)同步問題，采用流密碼技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行安全改造，提出一種基于安全狀態(tài)同步的通信機(jī)制（S3M），

4、并證明了其安全性。S3M將流密碼動(dòng)態(tài)地切分成加密因子、認(rèn)證因子、同步因子，利用這三個(gè)因子對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳輸?shù)膱?bào)文進(jìn)行加密、認(rèn)證及狀態(tài)同步，可以在基本不增加協(xié)議通信負(fù)載的條件下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文的機(jī)密性、完整性與安全同步。以Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線為例，具體說明了S3M的流密碼機(jī)選擇、碼流切分方法以及MAC算子構(gòu)造的過程。將S3M與KSSM、AES加密等已有的現(xiàn)場(chǎng)總線安全技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，S3M具有更優(yōu)的防御能力和可實(shí)現(xiàn)性。

5、　　對(duì)于獲得網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的黑客發(fā)起的協(xié)議合法但內(nèi)容非法的網(wǎng)絡(luò)攻擊，IT系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)算法完全失效。針對(duì)該問題，對(duì)傳統(tǒng)的非參數(shù) CUSUM算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于工業(yè)控制模型的NCS入侵檢測(cè)算法。改進(jìn)后的CUSUM算法無需知道黑客攻擊的分布概率，可以有效應(yīng)對(duì)來自理性黑客的內(nèi)部攻擊。以熱風(fēng)爐拱頂溫度控制系統(tǒng)為目標(biāo)對(duì)象，仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。在改進(jìn)CUSUM算法基礎(chǔ)上，應(yīng)用貝葉斯條件概率理論對(duì)連續(xù)檢測(cè)結(jié)果作關(guān)聯(lián)計(jì)算，可以有效降低入侵檢

6、測(cè)的誤報(bào)率。
　　在NCS系統(tǒng)存在惡意節(jié)點(diǎn)的情形下，如何隔離或限制惡意節(jié)點(diǎn)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是工業(yè)控制系統(tǒng)安全在系統(tǒng)層面需要解決的重要課題。針對(duì)這種情況，提出一種基于簇信譽(yù)的安全任務(wù)分配方法，將需要執(zhí)行的任務(wù)最大限度地分配給安全節(jié)點(diǎn)。為了合理地描述 NCS，將 NCS抽象為分簇系統(tǒng)，利用多 Agent模型描述分簇系統(tǒng)的運(yùn)行策略，并給出了節(jié)點(diǎn)、簇的信譽(yù)概念和信譽(yù)值量化計(jì)算方法。將各單元、控制器的功能安全度、網(wǎng)絡(luò)安全度進(jìn)行量化，