工业防火墙软件框架设计及规则自学习方法研究
发布时间：2021-02-06 18:52
工业控制系统逐渐进入信息化和智能化发展阶段,大量的工控系统和设备接入互联网,网络安全问题延伸到工控系统。工控系统遭受攻击事件不断增多,攻击手段层出不穷,研究针对工控网络的防护技术成为热点。本文首先介绍工控系统的结构分层及其功能,对比与IT系统信息安全的区别,凸显工控系统信息安全的特殊性。对工控系统脆弱性分析、对通用的Modbus TCP协议和通讯脆弱性详细分析,并从安全管理和技术层面介绍现有工控系统的安全防护措施,描述工业防火墙在工控系统的防护作用。然后,介绍PLC工业防火墙的系统结构,以及软件框架整体设计思路。重点说明基于支持向量机（SVM）的工业防火墙规则自学习方法。利用SVM算法对工控数据的行为特征学习,生成识别模型,对工控数据进行识别。针对工控数据表现出不均衡特征,通过分析不均衡数据集下SVM算法的解决方案,提出优化生成识别模型的方法。一是在样本层面优化,特别提出针对工控网络的异常数据生成方法,改善训练样本的不均衡性;二是采用改进的网格搜索法对模型参数优化。利用生成的识别模型将预测为合法的数据按一定模式加入规则表,完成自动学习工控数据生成过滤规则的目的。最后,模拟真实工业生产过...
【文章来源】：太原科技大学山西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LIBSVM中网格搜索法参数设置Fig.4.6GridSearchMethodSettingsinLIBSVM
生成正常类流量样本数据。通过设定本 PLC 使用的功能码和地址列表，利用未使用的功能码和地址与已使用的进行合成，生成异常类数据。对工控数据层层解析的过程，如图 5.2 和图 5.3 所示。协议解析工具解析出源/目的MAC 地址、源/目的 IP 地址、源/目的端口后，在应用层对 Modbus TCP 工业协议解析。如图 2 是 IP 192.168.0.6 向 192.168.0.5 发送报文的解析，解析到应用层的 Modbus TCP协议报文是：07 4A00 00 00 06 01 03 00 05 00 03。其中 MBAP 协议报文是 07 4A00 00 0006 01，包括单元标识符（07 4A）、协议标识符（00 00）、总长度（00 06）和单元标识符（01）；数据单元报文是：03 00 05 00 03，包括功能码（03）、起始地址（00 05）和读取寄存器数量（00 03）。图 5.2 主机请求数据解析Fig.5.2 Host Request Data Resolution图 5.3 是从机响应主机请求，发送的响应报文。通过对数据报文解析，响应数据内容的协议报文头与请求数据相对应，单元标示符相同，协议数据单元分别包含：功能码、字节数、保持寄存器具体数据。
Fig.5.3 Slave response data analysis分析本工控系统网络，设置工业防火墙规则时，首先在通过五元组信息特征包的 IP 地址、源目的端口号、协议标识符，来过滤。实验中在应用层提取三类数据作为 SVM 算法的训练样本数据，分别是：单元标识符、功能码和起始地址，如图提取的样本数据是：1:01 2:03 3:0005。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中美两国工控系统安全发展对比研究[J]. 金晶. 国防科技. 2017(04)
[2]工业控制系统网络安全防护体系的思考[J]. 林枫. 信息通信. 2017(05)
[3]电力工业控制系统信息安全风险分析与应对方案[J]. 张盛杰,顾昊旻,李祉岐,应欢. 电力信息与通信技术. 2017(04)
[4]工业控制系统安全网络防护研究[J]. 孙易安,井柯,汪义舟. 信息安全研究. 2017(02)
[5]基于Peach的工业控制网络协议安全分析[J]. 伊胜伟,张翀斌,谢丰,熊琦,向憧,梁露露. 清华大学学报(自然科学版). 2017(01)
[6]工业防火墙规则自学习算法设计[J]. 雷艳晴,尚文利,万明,曾鹏. 计算机工程与设计. 2016(12)
[7]工控系统PCA-OCSVM入侵检测算法[J]. 李琳,尚文利,姚俊,万明,曾鹏. 计算机工程与设计. 2016(11)
[8]关键基础设施中工业控制系统安全监管与防护探讨[J]. 吕世超,孙利民,石志强,孙德刚. 保密科学技术. 2016(09)
[9]工业控制系统入侵检测技术综述[J]. 杨安,孙利民,王小山,石志强. 计算机研究与发展. 2016(09)
[10]基于多核处理器的工业控制系统硬件防火墙研究[J]. 俞海国,马先,徐有蕊,苏生平,李楠芳,尚西元,马学智. 电力信息与通信技术. 2016(08)
硕士论文
[1]工业控制网络Modbus TCP协议深度包检测技术研究与实现[D]. 程超.电子科技大学 2016
[2]基于可信计算的工业控制系统信息安全解决方案研究[D]. 钟梁高.大连理工大学 2015
[3]基于攻击图的工业控制网络安全隐患分析[D]. 徐丽娟.北京邮电大学 2015
[4]基于工业控制网络的流量异常检测[D]. 高春梅.北京工业大学 2014
[5]基于防火墙的企业网络安全设计与实现[D]. 谭湘.西安电子科技大学 2013
[6]工业控制系统脆弱性分析与建模研究[D]. 凌从礼.浙江大学 2013
[7]基于Libnids分布式入侵检测系统的研究与实现[D]. 徐平均.中南大学 2012
[8]基于业务规则的自学习预警系统的研究与应用[D]. 宋新景.哈尔滨工程大学 2012
[9]网络环境下白名单子系统的设计与实现[D]. 袁自强.电子科技大学 2011
本文编号：3020928
【文章来源】：太原科技大学山西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LIBSVM中网格搜索法参数设置Fig.4.6GridSearchMethodSettingsinLIBSVM
生成正常类流量样本数据。通过设定本 PLC 使用的功能码和地址列表，利用未使用的功能码和地址与已使用的进行合成，生成异常类数据。对工控数据层层解析的过程，如图 5.2 和图 5.3 所示。协议解析工具解析出源/目的MAC 地址、源/目的 IP 地址、源/目的端口后，在应用层对 Modbus TCP 工业协议解析。如图 2 是 IP 192.168.0.6 向 192.168.0.5 发送报文的解析，解析到应用层的 Modbus TCP协议报文是：07 4A00 00 00 06 01 03 00 05 00 03。其中 MBAP 协议报文是 07 4A00 00 0006 01，包括单元标识符（07 4A）、协议标识符（00 00）、总长度（00 06）和单元标识符（01）；数据单元报文是：03 00 05 00 03，包括功能码（03）、起始地址（00 05）和读取寄存器数量（00 03）。图 5.2 主机请求数据解析Fig.5.2 Host Request Data Resolution图 5.3 是从机响应主机请求，发送的响应报文。通过对数据报文解析，响应数据内容的协议报文头与请求数据相对应，单元标示符相同，协议数据单元分别包含：功能码、字节数、保持寄存器具体数据。
Fig.5.3 Slave response data analysis分析本工控系统网络，设置工业防火墙规则时，首先在通过五元组信息特征包的 IP 地址、源目的端口号、协议标识符，来过滤。实验中在应用层提取三类数据作为 SVM 算法的训练样本数据，分别是：单元标识符、功能码和起始地址，如图提取的样本数据是：1:01 2:03 3:0005。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中美两国工控系统安全发展对比研究[J]. 金晶. 国防科技. 2017(04)
[2]工业控制系统网络安全防护体系的思考[J]. 林枫. 信息通信. 2017(05)
[3]电力工业控制系统信息安全风险分析与应对方案[J]. 张盛杰,顾昊旻,李祉岐,应欢. 电力信息与通信技术. 2017(04)
[4]工业控制系统安全网络防护研究[J]. 孙易安,井柯,汪义舟. 信息安全研究. 2017(02)
[5]基于Peach的工业控制网络协议安全分析[J]. 伊胜伟,张翀斌,谢丰,熊琦,向憧,梁露露. 清华大学学报(自然科学版). 2017(01)
[6]工业防火墙规则自学习算法设计[J]. 雷艳晴,尚文利,万明,曾鹏. 计算机工程与设计. 2016(12)
[7]工控系统PCA-OCSVM入侵检测算法[J]. 李琳,尚文利,姚俊,万明,曾鹏. 计算机工程与设计. 2016(11)
[8]关键基础设施中工业控制系统安全监管与防护探讨[J]. 吕世超,孙利民,石志强,孙德刚. 保密科学技术. 2016(09)
[9]工业控制系统入侵检测技术综述[J]. 杨安,孙利民,王小山,石志强. 计算机研究与发展. 2016(09)
[10]基于多核处理器的工业控制系统硬件防火墙研究[J]. 俞海国,马先,徐有蕊,苏生平,李楠芳,尚西元,马学智. 电力信息与通信技术. 2016(08)
硕士论文
[1]工业控制网络Modbus TCP协议深度包检测技术研究与实现[D]. 程超.电子科技大学 2016
[2]基于可信计算的工业控制系统信息安全解决方案研究[D]. 钟梁高.大连理工大学 2015
[3]基于攻击图的工业控制网络安全隐患分析[D]. 徐丽娟.北京邮电大学 2015
[4]基于工业控制网络的流量异常检测[D]. 高春梅.北京工业大学 2014
[5]基于防火墙的企业网络安全设计与实现[D]. 谭湘.西安电子科技大学 2013
[6]工业控制系统脆弱性分析与建模研究[D]. 凌从礼.浙江大学 2013
[7]基于Libnids分布式入侵检测系统的研究与实现[D]. 徐平均.中南大学 2012
[8]基于业务规则的自学习预警系统的研究与应用[D]. 宋新景.哈尔滨工程大学 2012
[9]网络环境下白名单子系统的设计与实现[D]. 袁自强.电子科技大学 2011
本文编号：3020928
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