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1　引言

電力行業(yè)很早就采用計算機實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。現(xiàn)代電力企業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，已建成生產(chǎn)、管理、營銷等不同類型的信息系統(tǒng)，企業(yè)信息化^[1]水平達到新的高度，有效保證了電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟運行。各類電力信息系統(tǒng)由于信息共享和協(xié)作已經(jīng)實現(xiàn)互連，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議也逐步采用開放通用的TCP/IP協(xié)議，這使得非法者可以采用各種攻擊技術(shù)在信息空間（Cyber Space）對電力信息系統(tǒng)進行攻擊，破壞電力系統(tǒng)信息安全（Cyber Security in PowerSystem），影響電力系統(tǒng)可靠運行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩或大范圍停電。2010年震驚世界的針對伊朗核電站的震網(wǎng)病毒^[8]，以及最近的烏克蘭電網(wǎng)遭受黑客攻擊事件^[2]，針對電力控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊事件呈不斷上升的趨勢。隨著德國工業(yè)4.0^[3]、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)^[4]、中國《中國制造2025》^[5]等規(guī)劃不斷推進，電力控制系統(tǒng)將與互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)不斷融合，電力控制系統(tǒng)將面臨越來越多的信息安全問題的挑戰(zhàn)。因此，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者進行電力控制系統(tǒng)的信息安全研究。震網(wǎng)病毒就是針對伊朗核電站所使用西門子PLC的漏洞 ^[6]進行的一種欺騙型攻擊，因此我們還需要在電力控制系統(tǒng)SCADA、PLC、DCS [7]之間的通信數(shù)據(jù)設(shè)置深度包過濾。我們要對電力控制系統(tǒng)信息安全進行研究，避免不了實驗，但是在實際的電力控制系統(tǒng)中進行實驗是不現(xiàn)實的，為此我們設(shè)計一種電力控制系統(tǒng)信息安全實驗平臺，實驗平臺能進行模糊測試以及各種信息安全攻擊實驗。

2　實驗平臺設(shè)計

電力控制系統(tǒng)信息安全實驗平臺主要有400V、220V電源，空氣開關(guān)，交直流接觸器，控制器（西門子及歐姆龍PLC），被控對象（電機、指示燈、智能Wi-Fi網(wǎng)關(guān)），防護模塊（工業(yè)網(wǎng)關(guān)）以及攻擊端（PC，U盤）等組成。PLC控制器以及被控對象通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)與外部交換機及上位機隔離，通信數(shù)據(jù)經(jīng)過工業(yè)網(wǎng)關(guān)過濾。拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗平臺拓撲結(jié)構(gòu)

可編程邏輯控制器（PLC）具有耐用、穩(wěn)定性強、高魯棒性等優(yōu)點，非常適合工業(yè)控制系統(tǒng)環(huán)境。平臺中PLC的通信協(xié)議是基于Modbus/TCP的西門子私有協(xié)議S7，上位機通過該協(xié)議和PLC通信，控制電動機及指示燈等負荷的正常運行。該實驗平臺中，實驗對象主要包括電動機，指示燈，閥門等。

防護模塊是基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)內(nèi)置工業(yè)通訊協(xié)議的防護模式，通過配置工業(yè)網(wǎng)關(guān)協(xié)議過濾規(guī)則，對通信數(shù)據(jù)進行深度過濾。規(guī)則可以根據(jù)不同的通信協(xié)議，配置相關(guān)過濾規(guī)則。例如，該實驗是基于Modbus/TCP，可以選擇該協(xié)議進行規(guī)則配置。通常工業(yè)通訊協(xié)議基于常規(guī)TCP/IP協(xié)議在應(yīng)用層的高級開發(fā)，本實驗平臺就是基于常規(guī)TCP/IP在應(yīng)用層的高級開發(fā)的Modbus/TCP協(xié)議上的隔離防護平臺。當(dāng)數(shù)據(jù)包經(jīng)過防護模塊時，會對其進行深度包檢測，檢驗合格讓其通過，不合格直接丟棄。

攻擊端一般為PC機或者U盤等，先通過Wireshark抓包分析協(xié)議數(shù)據(jù)包，然后偽造變異數(shù)據(jù)，再和PLC建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)包使其執(zhí)行錯誤的指令，從而攻擊成功。U盤攻擊原理大致一樣，U盤里會存在一個會自執(zhí)行的程序，會改變PLC的輸出。或者通過拒絕服務(wù)攻擊來對PLC進行攻擊。部分程序如圖2所示。

圖2 偽造數(shù)據(jù)包攻擊程序

該程序就是通過偽造數(shù)據(jù)來對PLC進行攻擊的，最終使PLC該亮的點熄滅了。

3　防火墻模塊設(shè)計

防火墻模塊硬件主要是西門子的工業(yè)網(wǎng)關(guān)，能夠針對工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議進行深度包檢測，可以對過濾規(guī)則進行配置。主要包括通信協(xié)議端口號檢測、協(xié)議標識符檢測、功能碼檢測、數(shù)據(jù)長度及PLC輸入輸出線圈地址檢測，通過這些過濾規(guī)則的配置，大大減少控制器被攻擊成功的可能性。

Modbus/TCP協(xié)議采用客戶端/服務(wù)器模式通信，正常通信時是使用服務(wù)器的502^[9]端口通信，對于外來的數(shù)據(jù)包來說，目的端口應(yīng)是502，若攻擊數(shù)據(jù)修改了目的端口，則可能會造成通信故障，使控制器無法正常工作。端口號模塊則會有效地保證通信時服務(wù)器端口選擇502，保證正常通信，避免故障發(fā)生。Modbus/TCP協(xié)議是應(yīng)用層協(xié)議，其協(xié)議頭部有確定的協(xié)議標識符，協(xié)議表示模塊通過對應(yīng)用層協(xié)議的解析，正確識別協(xié)議標識符，可以防止攻擊數(shù)據(jù)包偽裝成其他協(xié)議進行通信從而造成系統(tǒng)故障。不同的功能碼對應(yīng)不同的操作，在實際工業(yè)環(huán)境中，合法的功能碼是被預(yù)先設(shè)定的，所以當(dāng)攻擊數(shù)據(jù)包企圖通過修改功能碼來修改控制器的動作從而造成故障時，功能碼模塊就可以有效的防護，保證只有合法功能碼通過。對于不同的功能碼，數(shù)據(jù)包的長度是不一樣的，但是對于確定的某個功能碼，數(shù)據(jù)包的長度是唯一的，所以我們通過對協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)的深度包解析，對應(yīng)的功能碼我們通過數(shù)據(jù)長度模塊做防護，就能防止攻擊數(shù)據(jù)通過修改數(shù)據(jù)包長度造成控制器故障的問題。防火墻數(shù)據(jù)過濾規(guī)則配置如圖3所示。

PLC中線圈地址是有范圍的，即有線圈地址的上限和下限，攻擊數(shù)據(jù)通過修改線圈地址范圍造成控制器錯誤操作，線圈地址模塊就是防護這種攻擊，保證正常的通信。首先防護模塊可以選擇開啟或者不開啟，即數(shù)據(jù)直接通過還是必須經(jīng)過預(yù)先設(shè)定好的防護模塊，檢測過后再通過。其次，流程圖中的五個防護模塊只要其中任何一個防護模塊檢測數(shù)據(jù)異常，此數(shù)據(jù)就會被丟棄，只有通過所有防護模塊后，數(shù)據(jù)才能夠被控制器接收到，實現(xiàn)通信。

圖3 數(shù)據(jù)包深度過濾流程圖

4　信息安全實驗平臺性能測試

電力控制系統(tǒng)信息安全實驗平臺實物圖如圖4所示，筆者在該平臺上進行了偽造數(shù)據(jù)包攻擊實驗和模糊測試，及拒絕服務(wù)攻擊實驗。

圖4 實驗平臺部分實物圖

4.1　偽造數(shù)據(jù)包攻擊實驗

攻擊PLC控制器，先使用Wireshark抓包分析協(xié)議數(shù)據(jù)包，然后偽造變異數(shù)據(jù)，再和PLC建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)包使其執(zhí)行錯誤的指令，使PLC控制器出現(xiàn)故障，有可能停止運轉(zhuǎn)或者不按正常方式運轉(zhuǎn)，對PLC及其被控對象造成不可預(yù)知的破壞。從而攻擊成功。U盤攻擊原理大致一樣，U盤里會存在一個會自執(zhí)行的程序，會改變PLC的輸出。由信息安全防護措施可知，所有的數(shù)據(jù)包必須通過防火墻才能到達PLC控制端。若防護模塊沒有開啟，則默認通過所有數(shù)據(jù)包，當(dāng)偽造的數(shù)據(jù)包到達PLC控制器，PLC會出現(xiàn)故障，負責(zé)監(jiān)控PLC工作狀態(tài)的PLC監(jiān)控端也會出現(xiàn)相應(yīng)的提示；若防護模塊開啟，并通過配置端進行數(shù)據(jù)包過濾規(guī)則配置。配置完成后，該防護模塊就能進行數(shù)據(jù)包過濾，實現(xiàn)嚴格的防護功能，當(dāng)含有攻擊的數(shù)據(jù)包到達防護模塊，防護模塊會對數(shù)據(jù)包進行深度檢測，就會被它直接丟棄，拒絕非法數(shù)據(jù)包的通過。只有滿足協(xié)議規(guī)則并且合理的數(shù)據(jù)包才能讓其通過。

4.2　fuzzing實驗

在該實驗平臺上還可以進行模糊測試，漏洞挖掘?qū)嶒灒ㄟ^配置參數(shù)，測試機或漏洞挖掘設(shè)備向被測設(shè)備（控制器）發(fā)送測試數(shù)據(jù)包，并記錄導(dǎo)致控制器異常的數(shù)據(jù)包，然后對其進行分析，為什么會導(dǎo)致異常，是不是偶然的，最終才能確定是不是漏洞。模糊測試的部分程序如圖5所示。

圖5 fuzzing測試部分程序

4.3　拒絕服務(wù)攻擊（DoS）實驗

該實驗平臺可以做PLC拒絕服務(wù)攻擊實驗。 DoS[10]主要通過對PLC控制器發(fā)送大量不合法的請求連接數(shù)據(jù)包占用連接資源，造成PLC控制器故障甚至于斷開網(wǎng)絡(luò)，使監(jiān)控端無法收到控制器返回的信號，也無法對控制器進行控制，造成無法預(yù)知的后果。由信息安全防護措施可知，所有的數(shù)據(jù)包必須通過防護模塊才能到達PLC控制端。若防護模塊沒有開啟，則默認通過所有數(shù)據(jù)包，當(dāng)大量的請求連接數(shù)據(jù)包到達PLC控制器，PLC會出現(xiàn)故障并斷網(wǎng)，負責(zé)監(jiān)控PLC工作狀態(tài)的PLC監(jiān)控端無法獲取PLC控制器的運行狀態(tài)；若防護模塊開啟，并通過配置端進行數(shù)據(jù)包過濾規(guī)則配置。配置完成后，該防護模塊就能進行數(shù)據(jù)包過濾，實現(xiàn)嚴格的防護功能，當(dāng)不合法[11]的數(shù)據(jù)包到達防護模塊，就會被它直接丟棄，拒絕不合法的請求數(shù)據(jù)包，大量不合理的請求連接數(shù)據(jù)包是不可能通過防火墻的，只有合法的請求包才能通過。

5　結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種電力控制系統(tǒng)信息安全實驗平臺，該平臺對開展電力控制系統(tǒng)信息安全研究有很大意義。該平臺能夠向人們展示電力安全問題嚴重性和重要性，真正感受到信息安全問題研究的迫切。并且，在該實驗平臺上，還可以進行攻擊實驗，模糊測試，漏洞挖掘等電力信息安全實驗。本實驗平臺還有很多可以改進的地方，比如系統(tǒng)太小，距離真正的電力系統(tǒng)有很大的差別，負荷種類不夠多，控制器種類也不夠多。未來我們將會建立一個10kV，十幾個節(jié)點的小型電力系統(tǒng)，盡量模擬真正的電力系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)安全問題研究提供一個真正的實驗環(huán)境，而不總是仿真實驗。

★基金項目：國家自然科學(xué)基金（61772327），上海自然科學(xué)基金（15110500700），浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)課題（ICT1800380），上海電力學(xué)院智能電網(wǎng)產(chǎn)學(xué)研中心項目（A-0009-17-002-05），上海科委地方能力建設(shè)項目（16ZR1436300）。

作者簡介

王　勇 (1973-），男，河南確山人，教授，現(xiàn)就職于上海電力學(xué)院信息安全系，主要從事電力信息安全、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全研究。

高志遠（1992-），男，河南南陽人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于上海電力學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，主要從事工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全研究。

劉金永 (1991-），男，河南平頂山人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于上海電力學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，主要從事工業(yè)控制系統(tǒng)入侵檢測研究。

王　相（1994-），男，江蘇無錫人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于上海電力學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，主要從事電力系統(tǒng)通信協(xié)議攻擊檢測關(guān)鍵技術(shù)方面的研究。

李雙飛（1996-），男，回，河南周口人，本科，現(xiàn)就讀于上海電力學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，主要從事工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全研究。

邵猷海（1994-），男，江西九江人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于上海電力學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，主要從事工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全研究。

翟　昊（1997-），男，上海人，本科，現(xiàn)就讀于上海電力學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。

劉　蔚（1988-），女，上海人，本科，現(xiàn)就職于上海云物信息技術(shù)有限公司，主要從事數(shù)據(jù)安全分析。

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摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全專刊（第五輯）》