西門子SCADA網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景指紋自提取及異常檢測(cè)

◆何 鋼 周安民

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西門子SCADA網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景指紋自提取及異常檢測(cè)

◆何 鋼 周安民

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院 四川 610065）

本文針對(duì)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(jī)（DFA）模型的基礎(chǔ)上提出了SCADA網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景指紋的方法，結(jié)合圖論的中鄰接矩陣的概念，實(shí)現(xiàn)了SCADA網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景指紋的自提取，并利用該方法對(duì)工控系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(chǎng)景指紋；自提取；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(gè)領(lǐng)域，例如電力、冶金、石油、水利、化工、燃?xì)狻㈣F路等，對(duì)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(jī)界面）、PLC（可編程邏輯控制器組成）和RTU（遠(yuǎn)程控制終端）。其中，數(shù)據(jù)采集由RTU或PLC負(fù)責(zé)，包括讀取感測(cè)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(bào)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(duì)PLC或RTU進(jìn)行控制。

很多SCADA系統(tǒng)存在安全性方面的不足，如沒(méi)有針對(duì)惡意攻擊的檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有認(rèn)證機(jī)制、所有數(shù)據(jù)傳輸都是明文。目前，對(duì)SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異常檢測(cè)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(duì)其進(jìn)行異常檢測(cè)的研究也是眾多研究熱點(diǎn)之一。

SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)HMI-PLC網(wǎng)絡(luò)組成的。Goldenberg[1-3]和Wool[1-3]在2013年和2015年針對(duì)Modbus和S7 SCADA網(wǎng)絡(luò)分別提出了基于DFA的入侵檢測(cè)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(guò)對(duì)S7 SCADA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在HMI與PLC通信中，S7協(xié)議并沒(méi)有保持高度周期特性，因此，針對(duì)S7協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)，在DFA模型的基礎(chǔ)上提出場(chǎng)景指紋的概念，為每一個(gè)HMI-PLC的數(shù)據(jù)交互建立場(chǎng)景指紋，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景指紋的自提取，并利用場(chǎng)景指紋成功檢測(cè)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(lái)自西門子工控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖1為西門子工控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。整個(gè)系統(tǒng)仿真了發(fā)電廠的發(fā)電過(guò)程。現(xiàn)場(chǎng)工控層包含一臺(tái)工程師站、一臺(tái)操作員站和一臺(tái)實(shí)時(shí)服務(wù)器，其中，工程師站主要對(duì)PLC進(jìn)行程序編寫下載，操作員站和實(shí)時(shí)服務(wù)器安裝了西門子HMI軟件，用于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包含了兩臺(tái)S7-200和一臺(tái)S7-300，S7-200控制蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)，S7-300控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的功能。現(xiàn)場(chǎng)控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過(guò)核心交換機(jī)相互連接。利用Tcpdump的網(wǎng)絡(luò)嗅探能力在核心交換機(jī)處采集工控系統(tǒng)HMI與PLC實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，并保存成PCAP文件。

圖1 西門子工控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)托補(bǔ)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(bǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)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(guò)程中與PLC協(xié)商的由PLC定時(shí)發(fā)送給HMI組態(tài)軟件的工控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；第二類是由HMI發(fā)送給PLC，對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。兩類數(shù)據(jù)的可通過(guò)S7協(xié)議的ROSCTR字段不同的值進(jìn)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(duì)SCADA網(wǎng)絡(luò)的攻擊都是通過(guò)獲取上位機(jī)權(quán)限控制PLC[6]，因此，本文只針對(duì)第二類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。通過(guò)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(gè)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(lái)同步j(luò)ob和ack_data；Data Length，Data部分字節(jié)長(zhǎng)度Parameter Length，Parameter部分字節(jié)長(zhǎng)度。

因?yàn)樵赟7協(xié)議應(yīng)用層中，Protocol Data Unit Reference字段隨著時(shí)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(shí)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(méi)有遵循高度周期性，通信流量在兩個(gè)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(gè)HMI上可以運(yùn)行多個(gè)腳本。根據(jù)工藝場(chǎng)景的需要，多個(gè)腳本之間運(yùn)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(jìn)一步確認(rèn)S7協(xié)議在HMI與PLC之間交互時(shí)的非周期性，針對(duì)S7協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)觀察分析。圖4以包序號(hào)為橫軸，每一個(gè)數(shù)據(jù)包S7協(xié)議特征集合為縱軸，說(shuō)明了一段時(shí)間內(nèi)HMI與PLC之間通信時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)包中S7協(xié)議特征集合的變化。圖5以包序號(hào)為橫軸，HMI與PLC之間通信數(shù)據(jù)包類別個(gè)數(shù)為縱軸，說(shuō)明了一段時(shí)間內(nèi)HMI與PLC之間通信數(shù)據(jù)包類別個(gè)數(shù)的變化情況。圖4和圖5說(shuō)明了在HMI與PLC數(shù)據(jù)交互過(guò)程中，S7協(xié)議特征集合沒(méi)有遵循高度周期性，并且通信數(shù)據(jù)只在這有限個(gè)數(shù)據(jù)包之間來(lái)回變動(dòng)。

圖4 S7應(yīng)用層數(shù)據(jù)絡(luò)變化趨勢(shì)圖

圖5 數(shù)據(jù)包類別變化圖

2 場(chǎng)景指紋

2.1 場(chǎng)景指紋定義

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

（1）場(chǎng)景指紋中一個(gè)狀態(tài)表示一個(gè)S7數(shù)據(jù)包，其中，一個(gè)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(chǎng)景指紋達(dá)到檢測(cè)異常的目的，不限定場(chǎng)景指紋能夠接收的狀態(tài)集合。

為了場(chǎng)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(chǎng)景指紋定義為一個(gè)六元組。其中，為每一個(gè)的有限個(gè)狀態(tài)集合；為有限個(gè)符號(hào)集合，即對(duì)于每一個(gè)狀態(tài)的定義，在場(chǎng)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(dāng)前狀態(tài)；為每個(gè)狀態(tài)的經(jīng)過(guò)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(dāng)場(chǎng)景指紋中當(dāng)前狀態(tài)接收到一個(gè)輸入信號(hào)后，狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)根據(jù)輸入信號(hào)的特征將當(dāng)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(chǎng)景指紋運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)被觸發(fā)，能夠判斷當(dāng)前S7協(xié)議數(shù)據(jù)包是否是正常數(shù)據(jù)。假設(shè)場(chǎng)景指紋的當(dāng)前狀態(tài)為，輸入信號(hào)為，目的狀態(tài)為：

3 場(chǎng)景指紋自提取

Python的Scapy是一款功能強(qiáng)大的交互式數(shù)據(jù)包處理程序，不僅可以用來(lái)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(guò)Scapy庫(kù)強(qiáng)大的功能將PCAP文件處理，并為HMI-PLC建立場(chǎng)景指紋。場(chǎng)景指紋的自提取過(guò)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(jìn)行保存，并且保證該P(yáng)CAP文件中沒(méi)有異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交互情況能夠完整描述整個(gè)HMI與PLC之間的工業(yè)控制過(guò)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(hào)順序，生成順序列表。

（3）構(gòu)建鄰接矩陣

遍歷順序列表，對(duì)其中的數(shù)據(jù)種類進(jìn)行計(jì)數(shù)，假設(shè)計(jì)數(shù)為N類，即表明該信道的場(chǎng)景指紋總共包含了N個(gè)狀態(tài)。此時(shí)構(gòu)建N為方陣A（即鄰接矩陣），并且Aij=1表示第i個(gè)狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)是第j個(gè)狀態(tài)，Aij=0表示第i個(gè)狀態(tài)與第j個(gè)狀態(tài)沒(méi)有邏輯關(guān)系。得到了鄰接矩陣，就可以通過(guò)鄰接矩陣為HMI-PLC生成場(chǎng)景指紋。

4 基于場(chǎng)景指紋的異常檢測(cè)

4.1 異常檢測(cè)流程

在工控系統(tǒng)運(yùn)行正常的情況下通過(guò)Tcpdump的網(wǎng)絡(luò)嗅探能力在核心交換機(jī)處采集工控系統(tǒng)采集HMI與PLC之間的實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)；提取S7協(xié)議特征，按照數(shù)據(jù)包到達(dá)序號(hào)生成順序列表；利用順序列表構(gòu)建鄰接矩陣并生成場(chǎng)景指紋，最后通過(guò)scapy在核心交換機(jī)處抓取HMI與PLC通信數(shù)據(jù)流量，并利用場(chǎng)景指紋對(duì)HMI與PLC之間的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。場(chǎng)景指紋接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包之后，提取S7協(xié)議特征，并將其作為輸入信號(hào)發(fā)送至場(chǎng)景指紋當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)前狀態(tài)根據(jù)輸入信號(hào)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(gè)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(huì)觸發(fā)Normal狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，數(shù)據(jù)異常會(huì)觸發(fā)Unknown狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，邏輯異常會(huì)觸發(fā)MissTrans和Miss狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。過(guò)程如圖6所示：

4.2 異常檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工控系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)核心交換機(jī)處采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用場(chǎng)景指紋對(duì)正常的SCADA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)兩次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，在5855個(gè)數(shù)據(jù)包中5844個(gè)為正常數(shù)據(jù)，7387個(gè)數(shù)據(jù)包中有7366個(gè)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(shí)發(fā)生了丟包。場(chǎng)景指紋能夠很好的識(shí)別SCADA網(wǎng)絡(luò)中的正常流量。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證場(chǎng)景指紋對(duì)SCADA網(wǎng)絡(luò)中異常流量的檢測(cè)能力。通過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)速的值，以及修改電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的控制邏輯。其數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)如圖7所示，工控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程為HMI通過(guò)PLC控制電機(jī)以600、800、1000（r/min）的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。中間人攻擊攻擊目的過(guò)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(dá)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(dá)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(shí)在HMI處和核心交換機(jī)處抓取數(shù)據(jù)包，其中，核心交換機(jī)處抓取到的數(shù)據(jù)流量為通過(guò)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(dá)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(diǎn)，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(shì)圖

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，為方便觀察，分別進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí)驗(yàn)：HMI控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別發(fā)送600，800，1000（r/min）的指令通過(guò)PLC控制電機(jī)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(jī)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(huì)出現(xiàn)觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)Unknown，因此，通過(guò)計(jì)算得出準(zhǔn)確率為97.04%，誤報(bào)率為2.95%；第二次實(shí)驗(yàn)：將HMI控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令中表示電機(jī)轉(zhuǎn)速的字段部分修改為除了600，800，1000三個(gè)值之外的其它任意值，其中不會(huì)觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)Normal，因此，通過(guò)計(jì)算得出準(zhǔn)確率為97.40%，誤報(bào)率為2.60%。

綜上所述，基于場(chǎng)景指紋的工控系統(tǒng)SCADA網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)能夠有效的檢測(cè)出SCADA網(wǎng)絡(luò)中的流量異常，并對(duì)異常中的類別進(jìn)行劃分，能夠成功的檢測(cè)出邏輯異常和數(shù)據(jù)異常。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到，造成誤報(bào)的原因是中間人攻擊并沒(méi)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(shí)發(fā)生了丟包的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

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[13]袁文波，洪波，尤萬(wàn)方，殷召生，蔣彥，溫柳.S7-PLC基于Modbus/TCP協(xié)議通信研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014.

[14]賈濤.西門子S7-200以太網(wǎng)通訊協(xié)議研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014.

[15]廖常初.“S7-200SMARTPLC”講座第7講：S7-200SMART基于以太網(wǎng)的S7協(xié)議通信[J].電世界，2015.