西門子SCADA網(wǎng)絡(luò)場景指紋自提取及異常檢測

◆何 鋼 周安民

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西門子SCADA網(wǎng)絡(luò)場景指紋自提取及異常檢測

◆何 鋼 周安民

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院 四川 610065）

本文針對Supervisory Control And Data Acquisition（SCADA）系統(tǒng)中廣泛使用的S7協(xié)議 ，在有限狀態(tài)機（DFA）模型的基礎(chǔ)上提出了SCADA網(wǎng)絡(luò)場景指紋的方法，結(jié)合圖論的中鄰接矩陣的概念，實現(xiàn)了SCADA網(wǎng)絡(luò)場景指紋的自提取，并利用該方法對工控系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，該方法減少了大量的人工分析并有效的提升了SCADA系統(tǒng)的安全性。

S7協(xié)議；場景指紋；自提??；安全

0 引言

SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，例如電力、冶金、石油、水利、化工、燃氣、鐵路等，對現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。SCADA系統(tǒng)主要包括HMI（人機界面）、PLC（可編程邏輯控制器組成）和RTU（遠程控制終端）。其中，數(shù)據(jù)采集由RTU或PLC負責，包括讀取感測器數(shù)據(jù)、根據(jù)SCADA系統(tǒng)需求發(fā)送設(shè)備的狀態(tài)報告。控制室中的操作員采用HMI了解系統(tǒng)狀態(tài)，并決定是否要對PLC或RTU進行控制。

很多SCADA系統(tǒng)存在安全性方面的不足，如沒有針對惡意攻擊的檢測、網(wǎng)絡(luò)沒有認證機制、所有數(shù)據(jù)傳輸都是明文。目前，對SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行異常檢測是非常必要的。西門子的SCADA系統(tǒng)作為全球應(yīng)用最廣泛的SCADA系統(tǒng)之一，對其進行異常檢測的研究也是眾多研究熱點之一。

SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是由多個HMI-PLC網(wǎng)絡(luò)組成的。Goldenberg[1-3]和Wool[1-3]在2013年和2015年針對Modbus和S7 SCADA網(wǎng)絡(luò)分別提出了基于DFA的入侵檢測模型。但是其模型基于的是Modbus和S7協(xié)議的高度周期特性。本文通過對S7 SCADA網(wǎng)絡(luò)進行分析，發(fā)現(xiàn)在HMI與PLC通信中，S7協(xié)議并沒有保持高度周期特性，因此，針對S7協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)，在DFA模型的基礎(chǔ)上提出場景指紋的概念，為每一個HMI-PLC的數(shù)據(jù)交互建立場景指紋，實現(xiàn)了場景指紋的自提取，并利用場景指紋成功檢測出SCADA網(wǎng)絡(luò)異常。

1 S7協(xié)議

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文的數(shù)據(jù)來自西門子工控實驗平臺。圖1為西門子工控實驗平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。整個系統(tǒng)仿真了發(fā)電廠的發(fā)電過程。現(xiàn)場工控層包含一臺工程師站、一臺操作員站和一臺實時服務(wù)器，其中，工程師站主要對PLC進行程序編寫下載，操作員站和實時服務(wù)器安裝了西門子HMI軟件，用于監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備層；現(xiàn)場設(shè)備層包含了兩臺S7-200和一臺S7-300，S7-200控制蜂鳴器報警系統(tǒng)，S7-300控制電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)發(fā)電的功能?，F(xiàn)場控制層和現(xiàn)場設(shè)備層通過核心交換機相互連接。利用Tcpdump的網(wǎng)絡(luò)嗅探能力在核心交換機處采集工控系統(tǒng)HMI與PLC實時交互數(shù)據(jù)，并保存成PCAP文件。

圖1 西門子工控實驗平臺網(wǎng)絡(luò)托補圖

1.2 S7協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的托補結(jié)構(gòu)相對靜態(tài)，其通信模式具有規(guī)律的特性。其中，S7協(xié)議集是西門子SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的專有協(xié)議。在西門子SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，S7協(xié)議根據(jù)作用可分為兩大類，第一類是由HMI組態(tài)過程中與PLC協(xié)商的由PLC定時發(fā)送給HMI組態(tài)軟件的工控現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)；第二類是由HMI發(fā)送給PLC，對工控現(xiàn)場進行控制的實時數(shù)據(jù)。兩類數(shù)據(jù)的可通過S7協(xié)議的ROSCTR字段不同的值進行劃分。第一類數(shù)據(jù)ROSCTR固定值為0x07，第二類數(shù)據(jù)ROSCTR的值為0x01和0x03。通常針對SCADA網(wǎng)絡(luò)的攻擊都是通過獲取上位機權(quán)限控制PLC[6]，因此，本文只針對第二類數(shù)據(jù)進行分析研究。通過Wireshark軟件分析，可得到S7協(xié)議數(shù)據(jù)包內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 S7 協(xié)議數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

S7 PDU由Header、Parameter和Data三部分組成。其中Data字段是可選的。S7 PDU的Header部分主要由以下幾個字段組成：

（1）Protocol Id，值固定為0x32；

（2） ROSCTR（Remote Operating Service Control），通常取值為0x01（job）、0x02（acknowledge）、0x03（ack_data）、0x07（userdata）或者0x08（request server control）；

（3）Protocol Data Unit Reference，主要用來同步j(luò)ob和ack_data；Data Length，Data部分字節(jié)長度Parameter Length，Parameter部分字節(jié)長度。

因為在S7協(xié)議應(yīng)用層中，Protocol Data Unit Reference字段隨著時間遞增。因此，定義S7協(xié)議數(shù)據(jù)包特征為S7協(xié)議應(yīng)用層除了Protocol Data Unit Reference字段以外的所有數(shù)據(jù)集合。

1.3 S7協(xié)議特性分析

圖3以時間為橫軸，10s為刻度，顯示了HMI與PLC之間數(shù)據(jù)交互每10秒通信字節(jié)數(shù)的變化圖。圖中可以觀察到HMI與PLC之間數(shù)據(jù)通信并沒有遵循高度周期性，通信流量在兩個值之間變化。其原因是HMI與PLC之間的數(shù)據(jù)交互是由HMI中的腳本控制，一個HMI上可以運行多個腳本。根據(jù)工藝場景的需要，多個腳本之間運行周期可能不一致，導(dǎo)致了HMI與PLC之間數(shù)據(jù)交互并不遵循高度周期特性。

圖3 S7協(xié)議數(shù)據(jù)IO圖

為進一步確認S7協(xié)議在HMI與PLC之間交互時的非周期性，針對S7協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)觀察分析。圖4以包序號為橫軸，每一個數(shù)據(jù)包S7協(xié)議特征集合為縱軸，說明了一段時間內(nèi)HMI與PLC之間通信時每個數(shù)據(jù)包中S7協(xié)議特征集合的變化。圖5以包序號為橫軸，HMI與PLC之間通信數(shù)據(jù)包類別個數(shù)為縱軸，說明了一段時間內(nèi)HMI與PLC之間通信數(shù)據(jù)包類別個數(shù)的變化情況。圖4和圖5說明了在HMI與PLC數(shù)據(jù)交互過程中，S7協(xié)議特征集合沒有遵循高度周期性，并且通信數(shù)據(jù)只在這有限個數(shù)據(jù)包之間來回變動。

圖4 S7應(yīng)用層數(shù)據(jù)絡(luò)變化趨勢圖

圖5 數(shù)據(jù)包類別變化圖

2 場景指紋

2.1 場景指紋定義

為了將DFA應(yīng)用于S7協(xié)議，對DFA進行優(yōu)化，提出了場景指紋的概念。場景指紋中規(guī)定了以下兩點：

（1）場景指紋中一個狀態(tài)表示一個S7數(shù)據(jù)包，其中，一個狀態(tài)定義為S7協(xié)議應(yīng)用層中除Protocol Data Unit Reference字段以外所有數(shù)據(jù)的集合；

（2）為了應(yīng)用場景指紋達到檢測異常的目的，不限定場景指紋能夠接收的狀態(tài)集合。

為了場景指紋能夠更好的表示SCADA網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交互情況。將場景指紋定義為一個六元組。其中，為每一個的有限個狀態(tài)集合；為有限個符號集合，即對于每一個狀態(tài)的定義，在場景指紋中為S7協(xié)議應(yīng)用層除了Protocol Data Unit Reference字段以外的所有數(shù)據(jù)集合；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；為初始狀態(tài)；為當前狀態(tài)；為每個狀態(tài)的經(jīng)過狀態(tài)轉(zhuǎn)移作用后的輸出狀態(tài)集合。

2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)

當場景指紋中當前狀態(tài)接收到一個輸入信號后，狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)根據(jù)輸入信號的特征將當前狀態(tài)轉(zhuǎn)變到目的狀態(tài)。以下定義了Normal，Retrans，MissTrans，Unknown四種狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，在場景指紋運行的過程中，通過不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)被觸發(fā)，能夠判斷當前S7協(xié)議數(shù)據(jù)包是否是正常數(shù)據(jù)。假設(shè)場景指紋的當前狀態(tài)為，輸入信號為，目的狀態(tài)為：

3 場景指紋自提取

Python的Scapy是一款功能強大的交互式數(shù)據(jù)包處理程序，不僅可以用來發(fā)送、嗅探、解析和構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，還能解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包文件，提取有用信息。通過Scapy庫強大的功能將PCAP文件處理，并為HMI-PLC建立場景指紋。場景指紋的自提取過程如下：

（1）采集數(shù)據(jù)

首先利用Tcpdump或者Wireshark等工具獲取西門子SCADA網(wǎng)絡(luò)中HMI與PLC之間的交互數(shù)據(jù)，以PCAP文件形式進行保存，并且保證該PCAP文件中沒有異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交互情況能夠完整描述整個HMI與PLC之間的工業(yè)控制過程。

（2）生成順序列表

提取PCAP文件中的所有S7協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)，并剔除掉其中的Protocol Data Unit Reference字段，然后按照PCAP文件中的數(shù)據(jù)包序號順序，生成順序列表。

（3）構(gòu)建鄰接矩陣

遍歷順序列表，對其中的數(shù)據(jù)種類進行計數(shù)，假設(shè)計數(shù)為N類，即表明該信道的場景指紋總共包含了N個狀態(tài)。此時構(gòu)建N為方陣A（即鄰接矩陣），并且Aij=1表示第i個狀態(tài)的下一個狀態(tài)是第j個狀態(tài)，Aij=0表示第i個狀態(tài)與第j個狀態(tài)沒有邏輯關(guān)系。得到了鄰接矩陣，就可以通過鄰接矩陣為HMI-PLC生成場景指紋。

4 基于場景指紋的異常檢測

4.1 異常檢測流程

在工控系統(tǒng)運行正常的情況下通過Tcpdump的網(wǎng)絡(luò)嗅探能力在核心交換機處采集工控系統(tǒng)采集HMI與PLC之間的實時交互數(shù)據(jù)；提取S7協(xié)議特征，按照數(shù)據(jù)包到達序號生成順序列表；利用順序列表構(gòu)建鄰接矩陣并生成場景指紋，最后通過scapy在核心交換機處抓取HMI與PLC通信數(shù)據(jù)流量，并利用場景指紋對HMI與PLC之間的交互數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。場景指紋接收到實時數(shù)據(jù)包之后，提取S7協(xié)議特征，并將其作為輸入信號發(fā)送至場景指紋當前狀態(tài)，當前狀態(tài)根據(jù)輸入信號以及自身輸出狀態(tài)集合觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，四個狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)中被觸發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)即可表明數(shù)據(jù)包是否屬于正常流量。數(shù)據(jù)正常會觸發(fā)Normal狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，數(shù)據(jù)異常會觸發(fā)Unknown狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，邏輯異常會觸發(fā)MissTrans和Miss狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。過程如圖6所示：

4.2 異常檢測實驗結(jié)果分析

在實驗平臺的工控系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)正常運行的情況下，通過實驗平臺核心交換機處采集實時數(shù)據(jù)。利用場景指紋對正常的SCADA網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測，實驗兩次，實驗結(jié)果如表1所示，在5855個數(shù)據(jù)包中5844個為正常數(shù)據(jù)，7387個數(shù)據(jù)包中有7366個正常數(shù)據(jù)，其中的重傳數(shù)據(jù)是由于Scapy嗅探數(shù)據(jù)包時發(fā)生了丟包。場景指紋能夠很好的識別SCADA網(wǎng)絡(luò)中的正常流量。

表1 實驗結(jié)果

為了驗證場景指紋對SCADA網(wǎng)絡(luò)中異常流量的檢測能力。通過中間人攻擊的方式篡改工控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，例如修改HMI發(fā)送給PLC數(shù)據(jù)中指示電機轉(zhuǎn)速的值，以及修改電機轉(zhuǎn)速變化的控制邏輯。其數(shù)據(jù)變化趨勢如圖7所示，工控實驗平臺控制電機轉(zhuǎn)動實驗過程為HMI通過PLC控制電機以600、800、1000（r/min）的速度轉(zhuǎn)動。中間人攻擊攻擊目的過程分為兩種：第一種為修改HMI發(fā)送至PLC轉(zhuǎn)速的順序，如將600、800、1000（r/min）的轉(zhuǎn)速修改為800、600、1000（r/min）以達到修改控制邏輯的目的；第二種是修改HMI發(fā)送至PLC轉(zhuǎn)速的值，即將協(xié)議中表示轉(zhuǎn)速的字段修改成除600、800、1000以外的值，以達到造成數(shù)據(jù)異常的目的。為比較正常流量與異常流量的區(qū)別，同時在HMI處和核心交換機處抓取數(shù)據(jù)包，其中，核心交換機處抓取到的數(shù)據(jù)流量為通過中間人攻擊篡改的異常數(shù)據(jù)流量。相比于正常流量，異常流量的數(shù)據(jù)發(fā)生了位移，證明數(shù)據(jù)包達到順序發(fā)生了變化；并且相比與正常流量，還出現(xiàn)峰值異常突出的點，表明此處出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

圖7 異常情況下S7協(xié)議層數(shù)據(jù)變化趨勢圖

表2 實驗結(jié)果

如表2所示，為方便觀察，分別進行了兩次實驗。第一次實驗：HMI控制電機的轉(zhuǎn)速，分別發(fā)送600，800，1000（r/min）的指令通過PLC控制電機轉(zhuǎn)速，利用中間人攻擊，篡改HMI與PLC之間的通訊數(shù)據(jù)中表示電機轉(zhuǎn)速的字段，將轉(zhuǎn)速的控制邏輯修改為800，600，1000，其中不會出現(xiàn)觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)Unknown，因此，通過計算得出準確率為97.04%，誤報率為2.95%；第二次實驗：將HMI控制電機轉(zhuǎn)速的指令中表示電機轉(zhuǎn)速的字段部分修改為除了600，800，1000三個值之外的其它任意值，其中不會觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)Normal，因此，通過計算得出準確率為97.40%，誤報率為2.60%。

綜上所述，基于場景指紋的工控系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)異常檢測能夠有效的檢測出SCADA網(wǎng)絡(luò)中的流量異常，并對異常中的類別進行劃分，能夠成功的檢測出邏輯異常和數(shù)據(jù)異常。并通過實驗觀察到，造成誤報的原因是中間人攻擊并沒有成功的修改HMI與PLC之間的交互數(shù)據(jù)，以及Scapy嗅探數(shù)據(jù)時發(fā)生了丟包的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

工業(yè)控制系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)的安全有著重要的現(xiàn)實意義。本文在優(yōu)化了DFA模型的基礎(chǔ)上，重新定義了場景指紋；并基于工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)簡單特性，結(jié)合圖論中鄰接矩陣的概念，實現(xiàn)了場景指紋的自提取。該方法最大的優(yōu)點在于在有效減少了大量人工分析的同時，保證了較高的準確率。如何將該方法應(yīng)用于更加復(fù)雜的工業(yè)場景并提高場景指紋自提取效率是下一步的研究重點。

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