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★深圳航天信息有限公司藍(lán)炫勉，陳剛，李周，王立展

1　引言

2021年12月28日，工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，其中，在重點(diǎn)任務(wù)部分，網(wǎng)絡(luò)安全赫然在列。這說明智能制造領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)到了刻不容緩的地步。現(xiàn)如今，航空航天、船舶制造、兵器制造等關(guān)系到國(guó)家安全、國(guó)計(jì)民生等重要領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用到了智能制造，因此，保障智能制造網(wǎng)絡(luò)的安全就顯得尤為重要。而由于智能制造網(wǎng)絡(luò)對(duì)可用性的要求十分嚴(yán)格，使得安全人員難以在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行滲透測(cè)試、漏洞挖掘等會(huì)影響可用性的工作，因此，實(shí)物安全靶場(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生，又由于智能制造網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度極高，顯然實(shí)物安全靶場(chǎng)無(wú)法滿足。因此，本文提出了基于虛擬化技術(shù)的智能制造網(wǎng)絡(luò)安全靶場(chǎng)。

2　當(dāng)今智能制造網(wǎng)絡(luò)安全的現(xiàn)狀

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工智能相比不同之處在于它重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)與突出人才是制造業(yè)中的核心而不是智能機(jī)器，智能機(jī)器的作用，則是與人配合，使人能更好地發(fā)揮出其潛能。這樣一來(lái)人機(jī)之間就表現(xiàn)出了一種相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，這種關(guān)系使得二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。

隨著智能制造的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備和系統(tǒng)相互連接，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和協(xié)作，這些設(shè)備和系統(tǒng)之間的交互變得越來(lái)越頻繁。然而，智能制造中的設(shè)備和系統(tǒng)往往都擁有重要的信息和數(shù)據(jù)，例如生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品質(zhì)量、供應(yīng)鏈信息等，如果這些信息和數(shù)據(jù)被泄露或遭到攻擊，將會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的后果。

目前，智能制造領(lǐng)域面臨的網(wǎng)絡(luò)安全威脅主要包括以下幾個(gè)方面:

（1）網(wǎng)絡(luò)安全威脅不斷增加：隨著智能制造的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的黑客和組織開始關(guān)注這一領(lǐng)域，通過網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露等方式來(lái)對(duì)智能制造系統(tǒng)進(jìn)行攻擊和威脅。

（2）網(wǎng)絡(luò)安全漏洞普遍存在：智能制造領(lǐng)域中的設(shè)備和系統(tǒng)往往都采用了最新的技術(shù)和算法，而這些技術(shù)和算法由于面世時(shí)間較短，普遍存在著漏洞和弱點(diǎn)，一旦被攻擊者利用，就可以入侵智能制造系統(tǒng)并竊取重要信息。

（3）為了保障智能制造中的網(wǎng)絡(luò)安全，需要采取一系列的措施，例如制定網(wǎng)絡(luò)安全策略、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)管、提高網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)和技能等。同時(shí)，還需要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和加快新的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的研發(fā)，不斷提高智能制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全水準(zhǔn)，保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。

由于現(xiàn)運(yùn)行的智能制造網(wǎng)絡(luò)對(duì)高可靠性和安全性的要求十分嚴(yán)格，而傳統(tǒng)的滲透測(cè)試、攻防應(yīng)急演練等保障工作對(duì)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)天然自帶破壞性。因此，為了避免這些問題，構(gòu)建能夠滿足安全評(píng)估、攻防演練、培訓(xùn)教育等功能的靶場(chǎng)，就顯得十分重要、緊迫。工控靶場(chǎng)由于其特殊性，必須要具備實(shí)物場(chǎng)景，雖然實(shí)物類靶場(chǎng)對(duì)工控場(chǎng)景的仿真程度較高，但同時(shí)也存在著建設(shè)投入成本高，建設(shè)周期長(zhǎng)、維護(hù)維修成本巨大、場(chǎng)景單一固化等問題，并不利于推廣應(yīng)用。因此，本文提出了基于虛擬化技術(shù)的智能制造網(wǎng)絡(luò)安全靶場(chǎng)設(shè)計(jì)方案，完善了工控類靶場(chǎng)的建設(shè)。

3　基于虛擬化技術(shù)的智能制造靶場(chǎng)框架設(shè)計(jì)

3.1　靶場(chǎng)概述

本論文描述的靶場(chǎng)旨在設(shè)計(jì)一個(gè)含有安全評(píng)估、攻防演練、培訓(xùn)教育三大主要功能的并且基于虛擬化技術(shù)的智能制造網(wǎng)絡(luò)安全靶場(chǎng)。通過安全評(píng)估，可以粗略評(píng)估企業(yè)的工控設(shè)備及其工控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的安全態(tài)勢(shì)和安全風(fēng)險(xiǎn)。通過攻防演練，使得企業(yè)或個(gè)人能以攻擊對(duì)抗的思路掌握黑客攻擊各階段常用的攻擊方法和原理，尋找相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊的防護(hù)策略和手段。而通過培訓(xùn)教育，則可以使工控安全意識(shí)和技能得到全面提升。靶場(chǎng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 靶場(chǎng)設(shè)計(jì)框架

（1）基礎(chǔ)資源

基礎(chǔ)資源將由虛擬仿真環(huán)境和半實(shí)物仿真環(huán)境組成，構(gòu)成了靶場(chǎng)的最基本要素——測(cè)試與實(shí)驗(yàn)環(huán)境，靶場(chǎng)所有功能全部建立在此環(huán)境的基礎(chǔ)上。

（2）虛擬化平臺(tái)

將由虛擬化IaaS平臺(tái)與虛擬化資源組件池構(gòu)成，由于工控網(wǎng)絡(luò)的多樣性與復(fù)雜性，靶場(chǎng)必須擁有靈活且快速變更網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪芰εc數(shù)量龐大的資源庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)可以仿真不同工業(yè)行業(yè)場(chǎng)景的目的。

（3）虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

靶場(chǎng)將支持控制層、生產(chǎn)運(yùn)行層中的PLC、DCS、儀器儀表等實(shí)物設(shè)備接入，從而彌補(bǔ)了通過仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全虛擬化對(duì)工業(yè)流程仿真能力的不足。

（4）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)將由流量監(jiān)管評(píng)判、攻防組件監(jiān)控、匯聚存儲(chǔ)清洗、過程推演及追蹤溯源四部分組成。主要功能是為白方提供評(píng)判依據(jù)與為使用者進(jìn)行推演、溯源提供數(shù)據(jù)支持。

（5）核心業(yè)務(wù)子系統(tǒng)

核心業(yè)務(wù)子系統(tǒng)由攻防演練、安全評(píng)估、教育培訓(xùn)三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，作為靶場(chǎng)的三大核心功能，直接與使用者進(jìn)行交互。

4　靶場(chǎng)各部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1　基礎(chǔ)資源與虛擬化平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1.1　虛擬仿真環(huán)境與半實(shí)物仿真環(huán)境

智能制造網(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)采用虛擬化軟件的主要優(yōu)勢(shì)是可以將智能制造中的傳統(tǒng)架構(gòu)的工控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)利用該系統(tǒng)對(duì)企業(yè)實(shí)際的工控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬仿真，以此來(lái)對(duì)其進(jìn)行脆弱性、安全性檢測(cè)。同時(shí)，靶場(chǎng)還可接入半實(shí)物仿真系統(tǒng)，以滿足工控行業(yè)不同行業(yè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)從控制單元到控制器產(chǎn)品再到上位機(jī)及組態(tài)軟件都各不相同的特點(diǎn)，同時(shí)滿足了工控安全的攻防演練、安全評(píng)估、實(shí)訓(xùn)的需要。

4.1.2　虛擬化平臺(tái)

IaaS是指提供基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)租用虛擬化的服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，來(lái)構(gòu)建自己的應(yīng)用程序和服務(wù)。IaaS通常提供了許多功能，如自動(dòng)化部署、彈性擴(kuò)容、備份和恢復(fù)等。

而軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software?Defined?Network，SDN），一種來(lái)自美國(guó)的新技術(shù)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種手段。

虛擬化平臺(tái)將SDN技術(shù)和IaaS攻防平臺(tái)進(jìn)行了集成，在利用SDN的技術(shù)優(yōu)勢(shì)完全實(shí)現(xiàn)IaaS攻防平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化操作的同時(shí)也利用SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢暬⒖梢暬W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖購(gòu)?fù)現(xiàn)及設(shè)備添加與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮詣?dòng)變更等功能。

而虛擬化資源組件池則是利用虛擬機(jī)、物理機(jī)、虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備等封裝成組件資源庫(kù)，將其中的資源提供給大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自動(dòng)化復(fù)現(xiàn)引擎使用，用于復(fù)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的資源節(jié)點(diǎn)，其由組件資源和場(chǎng)景資源組成。

在組件資源庫(kù)中可調(diào)用工控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等資源，而場(chǎng)景資源則用來(lái)仿真工業(yè)企業(yè)環(huán)境，如“S7工業(yè)協(xié)議仿真攻擊測(cè)試場(chǎng)景”“OPC工業(yè)協(xié)議仿真攻擊測(cè)試場(chǎng)景”“運(yùn)載火箭殼段生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)仿真攻擊測(cè)試場(chǎng)景”等。其中每個(gè)場(chǎng)景包括了若干虛擬機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真。

4.2　虛實(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)業(yè)界主流的云平臺(tái)和虛擬化解決方案進(jìn)行調(diào)研和分析，本論文最終決定使用KVM自帶的Bridge虛擬機(jī)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)靶場(chǎng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)。而虛擬仿真環(huán)境又由虛擬化IaaS平臺(tái)與虛擬化資源組件池組成，再加上半實(shí)物仿真環(huán)境，共同構(gòu)成了靶場(chǎng)虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.3   數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.3.1　攻防組件監(jiān)控

攻防組件監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)低損耗、實(shí)時(shí)采集攻防信息的目的，主要通過工業(yè)資產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)無(wú)感狀態(tài)采集、多模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)與管理等技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)攻防演練實(shí)驗(yàn)過程中所產(chǎn)生信息的精確、實(shí)時(shí)、快速與低耗的采集，并同時(shí)以讀取日志的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)其他狀態(tài)信息，并在第一時(shí)間及時(shí)感知系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，依此為白方系統(tǒng)提供評(píng)判依據(jù)。

4.3.2　流量監(jiān)管評(píng)判

流量監(jiān)管評(píng)判系統(tǒng)即攻防當(dāng)中的白方系統(tǒng)。無(wú)規(guī)矩不成方圓，攻防演練亦是如此，在紅藍(lán)雙方之外，必須還要有一方，負(fù)責(zé)演練前的準(zhǔn)備工作與演練中的管理和演練后的分析與復(fù)盤推演，這就產(chǎn)生了專門的管理方——白方。

4.3.3　流量匯聚存儲(chǔ)清洗

流量匯聚存儲(chǔ)清洗系統(tǒng)即靶場(chǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，負(fù)責(zé)匯聚實(shí)時(shí)演練數(shù)據(jù)，其下的各子平臺(tái)將全方位上報(bào)攻防平臺(tái)監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，而后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)后結(jié)合工控系統(tǒng)的特征進(jìn)行威脅建模，并通過數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、深度學(xué)習(xí)、可視化計(jì)算等技術(shù)，同時(shí)結(jié)合云端威脅情報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知工控攻擊威脅的自動(dòng)化發(fā)現(xiàn)及預(yù)警，并且提供被監(jiān)測(cè)企業(yè)工控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻擊威脅、漏洞情況、系統(tǒng)配置情況、惡意代碼泛濫情況等安全威脅態(tài)勢(shì)服務(wù)，還具備了快速查找、檢索、融合、識(shí)別、檢查、關(guān)聯(lián)、可視化分析及歸檔的功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)攻擊行為的取證和快速溯源，為安全事件或威脅的應(yīng)急處置服務(wù)能力提供情報(bào)和數(shù)據(jù)支撐。

4.3.4　過程推演及追蹤溯源

可視化演練過程推演子系統(tǒng)作為靶場(chǎng)的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著實(shí)時(shí)、客觀地為白方顯示紅藍(lán)雙方攻防態(tài)勢(shì)的任務(wù)。演練管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理整個(gè)攻防環(huán)境，系統(tǒng)將演練的整個(gè)周期分為演練前、演練中和演練后三個(gè)階段。其中演練進(jìn)行階段是重中之重，那么在演練開始后，對(duì)演練的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)視就顯得格外重要，而推演系統(tǒng)就是作為該階段的主要模塊而存在的，其主要功能就是進(jìn)行實(shí)時(shí)、客觀、全面的演練整體態(tài)勢(shì)的反映。

而仿真實(shí)體則運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，這些仿真實(shí)體本身則通過網(wǎng)絡(luò)來(lái)互相傳遞數(shù)據(jù)。態(tài)勢(shì)子系統(tǒng)則通過輸入網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后輸出結(jié)果，主要包括演練數(shù)據(jù)庫(kù)記錄、演練數(shù)據(jù)庫(kù)、二維態(tài)勢(shì)顯示、三維場(chǎng)景顯示，以及實(shí)體狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示幾個(gè)部分。

演練數(shù)據(jù)記錄層作為溝通態(tài)勢(shì)子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的橋梁，位于網(wǎng)絡(luò)與上層態(tài)勢(shì)顯示模塊的中間。該數(shù)據(jù)層在對(duì)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、分類、歸納之后，將其他類型的數(shù)據(jù)全部過濾掉，只留存產(chǎn)生于演練過程中所有仿真實(shí)體的當(dāng)前狀態(tài)信息。而顯示模塊（由二維態(tài)勢(shì)顯示和三維場(chǎng)景顯示所共同組成）所調(diào)用的，也正是這些記錄中的數(shù)據(jù)。

4.4　核心業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.4.1　攻防演練子系統(tǒng)

攻防演練子系統(tǒng)作為可拓展性極強(qiáng)的平臺(tái)環(huán)境，具備完善的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)及演練條件。攻防演練子系統(tǒng)支持配置、創(chuàng)建、回收包含多種工控網(wǎng)絡(luò)軟硬件組件的演練環(huán)境，并可創(chuàng)建不同流程的演練劇情為使用者提供基礎(chǔ)攻防網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得系統(tǒng)具備多平臺(tái)、綜合性、多樣性、可復(fù)現(xiàn)、可重構(gòu)的能力，支持同步更新最新的漏洞、技術(shù)及相關(guān)演練環(huán)境。同時(shí)系統(tǒng)還記錄了使用者的操作流程以及過程產(chǎn)生數(shù)據(jù)，用來(lái)支撐系統(tǒng)評(píng)分功能。

4.4.2　安全評(píng)估子系統(tǒng)

為了精準(zhǔn)評(píng)測(cè)使用者實(shí)際的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全性、可恢復(fù)性和靈活性，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、PC操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等關(guān)鍵軟硬件是否具備安全性與是否滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)就顯得至關(guān)重要，這就要求攻防平臺(tái)具備完整成熟的安全評(píng)估能力。因此，系統(tǒng)在提供了按需組網(wǎng)功能的同時(shí)還提供了接入多種評(píng)估工具，使得使用者可以按需選擇，以適配多種評(píng)估方法。通過測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、測(cè)試工具庫(kù)以及各種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方式可對(duì)攻防復(fù)現(xiàn)目標(biāo)展開全方位、體系化的測(cè)試評(píng)估工作。4.4.3　培訓(xùn)教育子系統(tǒng)教育培訓(xùn)子系統(tǒng)面向智能制造安全領(lǐng)域的人員教學(xué)實(shí)踐需求，提供了體系化、分層次的工控安全教育課程體系，該課程體系中包含了單課程、演練課程、實(shí)戰(zhàn)課程等。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，填補(bǔ)了智能制造網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的教學(xué)、培訓(xùn)方面的空白，推動(dòng)了傳統(tǒng)教育與培訓(xùn)模式的發(fā)展。同時(shí)不斷深化課程體系，以理論與實(shí)踐相融合的方式來(lái)進(jìn)行教育培訓(xùn)，以此來(lái)全方位提升工控安全人員攻防實(shí)戰(zhàn)能力，使受訓(xùn)人員具備對(duì)各種主流安全實(shí)踐具備獨(dú)立分析、應(yīng)對(duì)處理的能力。

5　總結(jié)

為了提升智能制造網(wǎng)絡(luò)安全的攻防演練與場(chǎng)景構(gòu)建能力、測(cè)試評(píng)估能力與新技術(shù)研究水平，本論文提出了智能制造網(wǎng)絡(luò)安全靶場(chǎng)，并通過結(jié)合虛擬化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體所做工作總結(jié)如下：

（1）分析了當(dāng)前智能制造網(wǎng)絡(luò)安全的現(xiàn)狀，并根據(jù)現(xiàn)狀提出了基于虛擬化技術(shù)的智能制造網(wǎng)絡(luò)安全靶場(chǎng)。

（2）通過虛擬化IaaS平臺(tái)，SDN等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬化仿真環(huán)境，再加上半實(shí)物仿真環(huán)境，構(gòu)成了靶場(chǎng)虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在提升了攻防演練真實(shí)性的同時(shí)也提升了靶場(chǎng)自身的擴(kuò)展性。

（3）靶場(chǎng)通過二維態(tài)勢(shì)顯示、三維場(chǎng)景顯示兩種方式，成功實(shí)現(xiàn)了低損耗、高實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

（4）攻防演練子系統(tǒng)、安全評(píng)估子系統(tǒng)、教育培訓(xùn)子系統(tǒng)作為靶場(chǎng)的三大核心業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，滿足了不同場(chǎng)景、不同業(yè)務(wù)復(fù)雜度的需求，可以切實(shí)提高使用者工控網(wǎng)絡(luò)的安全性。

作者簡(jiǎn)介：

藍(lán)炫勉（1989-），男，廣東普寧人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于深圳航天信息有限公司，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。陳　剛（1985-），男，河南鄧州人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于深圳航天信息有限公司，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。

李　周（1988-），男，湖南衡陽(yáng)人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于深圳航天信息有限公司，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。

王立展（1984-），男，河南鄧州人，現(xiàn)就職于深圳航天信息有限公司，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年7月刊