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SCADA系統(tǒng)信息安全測試床研究進展

文檔作者：黃慧萍肖世德孟祥印文檔來源：西南交通大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月13日
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第32卷第7期
2015年7月
計算機應(yīng)用研究
Application Research of Computers
V01．32 No．7
Jul．2015
SCADA系統(tǒng)信息安全測試床研究進展
黃慧萍，肖世德，孟祥印
(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院機電測控系，成都610031)
摘要：SCADA系統(tǒng)測試床的構(gòu)建是研究SCADA系統(tǒng)信息安全問題的一項基礎(chǔ)性工作，為了構(gòu)建SCADA系
統(tǒng)信息安全測試床，必須充分了解其當前的研究情況。介紹了SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，分析了各類典型
SCADA系統(tǒng)測試床的主要優(yōu)缺點、關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)工具，包括全實物復(fù)制測試床、半實物仿真測試床、軟件聯(lián)合
仿真測試床以及仿真與模擬相結(jié)合的混合測試床。最后探討了SCADA系統(tǒng)信息安全測試床未來的發(fā)展方向和
有待進一步完善的地方。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)；信息物理融合系統(tǒng)；信息安全；測試床
中圖分類號：TP391．9 文獻標志碼：A 文章編號：1001—3695(2015)07-1926—05
doi：10．3969／j．issn．1001—3695．2015．07．002
Survey on SCADA system testbed for cyber security research
Huang Huiping，Xiao Shide，Meng Xiangyin
(School ofMechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)
Abstract：Development of the SCADA system testbed iS an important foundation WOrk for investigating the cyber security prob．
1ems of SCADA system．It iS necessary to have a deep understand of the current research condition SO as to construct an appro—
pilate SCADA testbed．This paper firstly introduced the architecture and components of a SCADA system．Then it analyzed the
advantages and disadvantages，key technologies and development tools of several typical SCADA tesetbeds．Finally，it pointed
out the future research direction and possible improvement for SCADA system cyber security testbed．
Key words：supervisory control and data acquisition system；cyber—physical system；cyber security；testbed
O 引言
工業(yè)控制系統(tǒng)。1 o廣泛應(yīng)用在國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中，包括
電力、石油石化、鐵路、水處理等行業(yè)，用于控制關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備
的運行。SCADA(supervisory control and data acquisition)系
統(tǒng)”1是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)
施中的SCADA系統(tǒng)一旦遭到破壞，不僅會影響產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的持
續(xù)發(fā)展，更會對國家安全造成巨大的損害。因此，SCADA系
統(tǒng)的功能安全(functional safety)和信息安全(cyber security)對
于企業(yè)的生產(chǎn)平穩(wěn)運行和國民經(jīng)濟發(fā)展都起著舉足輕重的作
用。長期以來，控制系統(tǒng)的性能、可靠性、靈活性與控制系統(tǒng)的
功能安全一直都得到很高的重視，然而，工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)
的信息安全卻被忽視。
早期的SCADA系統(tǒng)使用RS一232、RS一422和RS一485標準，
是一個相對孤立的、物理隔離的系統(tǒng)，沒有連接到互聯(lián)網(wǎng)等公
共網(wǎng)絡(luò)，這意味著它們相對安全。但是，這些早期的串行通信
標準幾乎沒有考慮安全性的問題，如采用明文傳輸，無認證機
制等，所以存在著信息安全隱患。隨著網(wǎng)絡(luò)、通信和計算機技
術(shù)的迅速發(fā)展，目前許多SCADA系統(tǒng)采用了多種多樣的通信
方式，包括以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、共享租賃線路，甚至因特網(wǎng)，它
們與其他信息系統(tǒng)的連接越來越多。這些通信信道不再是孤
立的，因此SCADA系統(tǒng)中的控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)面臨著被網(wǎng)
絡(luò)中不法分子竄改的極大危險，可能出現(xiàn)一系列較嚴重的控制
系統(tǒng)被攻擊事件，造成較大的損失。3。1。例如，在2010年9月
24日，伊朗布什爾核電站的系統(tǒng)受到震網(wǎng)(Stuxnet)病毒的攻
擊，導(dǎo)致該電站的核設(shè)施無法正常工作。除此之外，2011年出
現(xiàn)了毒區(qū)(Duqu)病毒，2012年出現(xiàn)了火焰(Flame)病毒，這些
都是專門攻擊工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)的計算機病毒。這些事件
都突顯了SCADA系統(tǒng)的信息安全問題，給業(yè)界敲響了警鐘。
因此，如何保障工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)的信息安全已成為業(yè)界
必須解決的一個關(guān)鍵問題，是目前的一個研究熱點。
目前，全球眾多機構(gòu)和組織都在從事網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制和
SCADA系統(tǒng)信息安全方面的研究。美國國土安全部(DHS)早
在2002年開始研究工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性問題，包括對系統(tǒng)
進行風險分析和風險管理方面的內(nèi)容∞o。DHS的國家信息安
全分部(NCSD)對國家基礎(chǔ)設(shè)施的SCADA系統(tǒng)進行信息安全
風險的識別和分析，并尋求減少系統(tǒng)風險的措施。我國也于
2013年建設(shè)成立了工業(yè)控制系統(tǒng)安全技術(shù)國家工程實驗室。
為了更好地理解如何保護工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)的信息安
全性，必須對這些系統(tǒng)進行脆弱性評估，并研究合適的安全防
御機制來保護SCADA系統(tǒng)不受攻擊。要進行這樣的評估和研
究工作，首要條件是必須具備一個SCADA系統(tǒng)信息安全測試
床。SCADA測試床不僅建立了一個SCADA系統(tǒng)的模型，而且
便于研究人員在測試床上對系統(tǒng)進行信息安全攻擊實驗，分析
收稿日期：2014．10—27；修回日期：2014—12—17 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51205326)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金
資助項目(2682013CX022)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項目(2014JY0212)
作者簡介：黃慧萍(1977．)，女，湖北武漢人，講師，博士研究生，主要研究方向為工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(hhpin92@163．COB)；肖世德(1967一)，男，
教授，博導(dǎo)，主要研究方向為機電監(jiān)控設(shè)備可靠性、危險場合工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)；孟祥印(1979-)，男，副教授，博士，主要研究方向為SCADA系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)．
萬方數(shù)據(jù)
第7期黃慧萍，等：SCADA系統(tǒng)信息安全測試床研究進展·1927·
各種攻擊對系統(tǒng)造成的影響，并嘗試各種不同的安全解決方
案。因此，構(gòu)建適用的SCADA系統(tǒng)測試床是研究網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)
控制和SCADA系統(tǒng)信息安全的重要基礎(chǔ)性工作，主要用做以
下用途ia)評估現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)在實際配置情況下的信息安
全脆弱性；b)針對這些脆弱性問題提出合適的解決方案并對
方案予以測試；c)測試下一代SCADA系統(tǒng)的創(chuàng)新架構(gòu)和技術(shù)
解決方案。
近年來，不少研究人員都在從事SCADA測試床的研發(fā)工
作，他們有的采取直接復(fù)制建立一個實際系統(tǒng)的方法，有的采
用軟件仿真或者模擬的方法。綜合相關(guān)文獻資料來看，根據(jù)研
究人員所采用技術(shù)路線的不同，目前的SCADA系統(tǒng)信息安全
測試床主要分為四類，本文對比分析每種測試床的典型代表實
例、關(guān)鍵技術(shù)、開發(fā)工具和主要優(yōu)缺點。在分析總結(jié)前人工作
的基礎(chǔ)之上，指出SCADA系統(tǒng)信息安全測試床未來的發(fā)展方
向，以期為國內(nèi)SCADA系統(tǒng)信息安全測試床的研究及發(fā)展工
作作出一些有益的探索。
1 SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成
SCADA系統(tǒng)是一種綜合應(yīng)用計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信
與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠程監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)【2 J。它收集分散
在現(xiàn)場的多個測控點的信息，利用通信網(wǎng)絡(luò)將它們傳送至中央
處理計算機，將信息以圖形化或者文本化的方式顯示給操作人
員，使得操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控各種生產(chǎn)過程或者設(shè)備，并進
行本地或遠程自動控制。SCADA系統(tǒng)的組成主要分為控制中
心、通信設(shè)施和現(xiàn)場設(shè)備三大部分。圖l為一個典型SCADA
系統(tǒng)的構(gòu)成?。／廚、馥
＼岫矗啦=I／l鼬《＼!麓鹋
1．1控制中心
如圖1所示，SCADA系統(tǒng)的控制中心主要包括：SCADA服
務(wù)器(即主終端設(shè)備MTU)、通信路由器、人機界面(HMI)、工
程師工作站、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，它們通過一個局域網(wǎng)連接在一
起?？刂浦行牡腗TU存儲并處理由工作現(xiàn)場的RTU或者
PLC提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將信息顯示在人機界面上。MTU
根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制命令并下達給工作現(xiàn)場的RTU或者
PLC、IED?？刂浦行倪€具有報警、趨勢分析、打印報告等功能。
控制中心運行的SCADA系統(tǒng)軟件主要負責解決以下問題：什
么時候進行監(jiān)測；監(jiān)測哪些數(shù)據(jù)；怎樣的參數(shù)范圍是適宜的；當
參數(shù)超出允許的范圍值時采取怎樣的反應(yīng)措施。
1．2現(xiàn)場設(shè)備
SCADA系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備通常指各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如遠
程測控終端(RTu)、可編程邏輯控制器(PLC)和智能電子設(shè)備
(IED)。它們與生產(chǎn)過程的設(shè)備或儀表相連，采集現(xiàn)場的各種
參數(shù)并上傳至控制中心的MTU。在必要的時候，它們還可以
接受MTU發(fā)出的控制命令控制工作現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)和生產(chǎn)過
程，如控制閥門的開度，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速等。
1．3通信設(shè)施
控制中心的MTU與分散在遠端工作現(xiàn)場的RTU、PLC、
IED之間的數(shù)據(jù)交換由SCADA系統(tǒng)的通信設(shè)施來完成，具體
形式包括電話線、租賃線路、衛(wèi)星通信、無線電波通信、電力線
纜、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。通過這些通信方式，控制中心的工作
人員不僅可以獲取RTu、PLC采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還可以對現(xiàn)場
的工作設(shè)備進行遠程控制、故障診斷和維修。
2 SCADA系統(tǒng)信息安全測試床分類
SCADA系統(tǒng)是一種典型的信息物理融合系統(tǒng)(cyber．physi．
cal system)，因此它的信息安全問題不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)
信息安全問題。對SCADA系統(tǒng)的信息安全性進行研究分析，
會涉及到物理空間和信息空間兩方面的交叉。無論是研究物
理還是信息系統(tǒng)，都可以采用全實物復(fù)制、軟件仿真和模擬系
統(tǒng)等技術(shù)手段。從相關(guān)文獻資料和業(yè)界研究成果來看，根據(jù)實
驗環(huán)境中所采用的仿真器、模擬器和真實組件的不同情況，目
前的SCADA系統(tǒng)信息安全測試床主要分為四種：全實物復(fù)制
測試床、半實物仿真測試床、軟件聯(lián)合仿真測試床以及仿真與
模擬相結(jié)合的混合測試床。下面結(jié)合一些典型實例分析每種
測試床的關(guān)鍵技術(shù)、開發(fā)工具和主要優(yōu)缺點。
2．1 全實物復(fù)制測試床
全實物復(fù)制測試床技術(shù)在SCADA系統(tǒng)的信息空間和物理
空間均采用完全復(fù)制的方式，應(yīng)用與現(xiàn)實生產(chǎn)中完全相同的設(shè)
備來構(gòu)建一種全實物的大型測試床。例如，美國能源部(DOS)
電力調(diào)度與能源可靠性辦公室(DOE—OE)制定了國家SCADA
測試床計劃(NSTB)‘7o，旨在為工業(yè)控制系統(tǒng)的脆弱性評估和
軟硬件測試提供一個完全真實的測試環(huán)境。愛達荷國家實驗
室(Idaho National Laboratory)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施測試靶場
(CITR)¨。就是一個專門用于控制系統(tǒng)網(wǎng)際安全評估、標準改
進、推廣和培訓(xùn)的大規(guī)模測試床計劃，建設(shè)的成果包括一個包
括輸電網(wǎng)絡(luò)、電站等在內(nèi)的完整的電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)、一個無線
測試床和一個網(wǎng)際安全測試床等。愛達荷國家實驗室利用這
些全實物復(fù)制的測試床，目前已完成了數(shù)十個工業(yè)控制系統(tǒng)和
組件的網(wǎng)絡(luò)脆弱性評估工作。這些評估工作幫助研究人員了
解系統(tǒng)的脆弱性，驗證安全措施的有效性，提供新一代的控制
系統(tǒng)安全修補程序，并已在能源行業(yè)得到應(yīng)用。
這種全實物復(fù)制類測試床是開展網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制和SCA．
DA系統(tǒng)信息安全綜合研究的國家級大型靶場，能夠得到最真
實直接的研究結(jié)果，但是投資巨大。在一般科學(xué)研究中，由于
經(jīng)濟成本的限制，以及考慮到信息攻擊實驗可能對測試床本身
的實體設(shè)備造成損害，這種全實物復(fù)制測試床在工業(yè)控制系統(tǒng)
信息安全研究領(lǐng)域無法得到廣泛的應(yīng)用。
2．2半實物仿真測試床
半實物仿真測試床技術(shù)采用真實的物理硬件設(shè)備來代表
SCADA系統(tǒng)的物理層，而對于系統(tǒng)的信息層則采用仿真軟件
來實現(xiàn)。
Wang等人一1應(yīng)用一臺真實的OPC服務(wù)器、NS-2網(wǎng)絡(luò)仿
真軟件以及真實的PLC和現(xiàn)場設(shè)備來分析一個SCADA系統(tǒng)
的信息安全問題。在他們所采用的研究方法中，只有企業(yè)網(wǎng)絡(luò)
這部分是采用仿真軟件來模擬，其他諸如服務(wù)器、PLC等設(shè)備
萬方數(shù)據(jù)
·1928· 計算機應(yīng)用研究第32卷
均為實物。來自Ns一2的通信請求通過軟件代理發(fā)送給OPC
服務(wù)器，然后由OPC服務(wù)器將Modbus數(shù)據(jù)包傳送給PLC設(shè)備。
應(yīng)用類似研究方法的還有Queiroz等人¨?，他們在一個
SCADA系統(tǒng)信息安全測試床中采用了真實的傳感器和執(zhí)行器
部件。對于系統(tǒng)中的其他組件，如PLC，以及設(shè)備之間的通信
協(xié)議則采用OMNeT++來仿真實現(xiàn)。他們使用OMNeT++?J
仿真平臺進行網(wǎng)絡(luò)離散事件建模仿真，使用INET框架¨21提供
TCP／IP協(xié)議支持；使用LEGO Mindstroms NXT．I到來仿真SCA．
DA系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器(PLC)等硬件設(shè)備；使用Libmodbus
庫’。4 o來生成基于Modbus協(xié)議的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)流量。
通過采用這種方法，Queiroz等人在該測試床上研究了分布拒
絕服務(wù)攻擊(DDoS)對一個水廠SCADA系統(tǒng)造成的影響。
類似地，文獻[10]為了研究電廠控制系統(tǒng)的信息脆弱性
構(gòu)建了一個受保護的測試環(huán)境，該測試環(huán)境中包含了一個真實
電廠的所有實際物理設(shè)備。British Columbia Institue of Techn01．
ogy(BCIT)工業(yè)儀表過程實驗室¨糾的SCADA測試床使用了
真實的商用控制設(shè)備來搭建精餾塔、蒸發(fā)器、化學(xué)混合反應(yīng)過
程和電站鍋爐等。這類半實物仿真測試床由于在系統(tǒng)的物理
空間全部或者部分采用了完全真實的物理設(shè)備，能夠提供可靠
的實驗數(shù)據(jù)，但是其缺點也很明顯，即這種方法只適合于小型
的系統(tǒng)，難以支持大型基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的信息安全實驗。這些測
試床雖然具有很高的真實性，但是靈活性差、建設(shè)和維護成本
高，并且可能因為進行各種信息安全攻擊實驗而對實際設(shè)備造
成一定損害。
2．3軟件聯(lián)合仿真測試床
軟件聯(lián)合仿真測試床在SCADA系統(tǒng)的信息空間和物理空
間均使用軟件仿真技術(shù)，通常包括物理過程仿真、網(wǎng)絡(luò)仿真和
攻擊仿真等。下面通過這類測試床的幾個典型實例來分析建
立軟件聯(lián)合仿真測試的技術(shù)要點。
Davis等人¨6’使用POWERWorld電力行業(yè)仿真器、RINSE
網(wǎng)絡(luò)仿真器等仿真工具建立了一個電力SCADA系統(tǒng)仿真測試
床，并在該測試床上開展攻擊實驗。
Mallouhi等人Ⅲo在亞利桑那大學(xué)研發(fā)了一個用于分析針
對SCADA系統(tǒng)信息安全攻擊的測試床。該測試床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖2所示。該測試床使用OPNET工具來仿真計算機網(wǎng)絡(luò)；
使用PowerWorld仿真工具來模擬大型輸配電系統(tǒng)的工作；使
用Modbus RSim來仿真Modbus服務(wù)器。其中，網(wǎng)絡(luò)仿真器
OPNET通過其SITL模塊與Modbus仿真器相互通信，使Mod—
bus服務(wù)器能夠偵聽來自502端口的網(wǎng)絡(luò)通信請求。同時，
Modbus仿真器還通過PowerWodd公司提供的SimAuto應(yīng)用程
序與PowerWorld仿真器進行相互通信。Mallouhi等人在該測
試床上進行了針對Modbus和TCP協(xié)議的各種信息攻擊實驗。
Chabukswar等人‘1副采用全軟件仿真技術(shù)建立了一個可信
SCADA實驗平臺，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。他們使用OMNeT++軟
件來對SCADA系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進行仿真，建立一個網(wǎng)絡(luò)仿真
模型，使用MATLAB Simulink來建立控制器和被控物理對象的
仿真模型。為了整合不同領(lǐng)域的仿真模型，他們利用基于高層
體系結(jié)構(gòu)(high—level architecture，HLA)IEEE標準¨劃的corn—
mand and control WindTunnel(C2WindTunnel)E20]多模型仿真環(huán)
境來實現(xiàn)不同仿真引擎之間的交互。這樣就可以為
OMNeT++和MATLAB Simulink這兩種不同的仿真器提供一
個統(tǒng)一的時鐘，以利于兩者的仿真集成。
k患茹謎耪下《攥贏
E蕃攻擊阻+_一l遭刮入侵的HMI MITM
圖3 Chabukswar等人建立的SCADA系統(tǒng)測試床
通過分析上述軟件聯(lián)合仿真測試床的實例不難發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)
建這類測試床時，首先需要使用一些專用的仿真工具對SCA。
DA系統(tǒng)架構(gòu)中的不同組件分別進行仿真，得到具有高真實度
的SCADA系統(tǒng)工業(yè)級模型，然后將各種仿真模型、仿真引擎集
成在一起，使它們能夠可靠地相互協(xié)同工作。采用全軟件仿真
技術(shù)建立SCADA系統(tǒng)信息安全測試床時常用的建模仿真工具
總結(jié)如表1所示。
表l 軟件仿真SCADA測試床的常用建模仿真工具
軟件聯(lián)合仿真SCADA系統(tǒng)測試床的技術(shù)難點在于如何實
現(xiàn)不同種仿真器之間的無縫集成，如何解決不同體系結(jié)構(gòu)組件
的互連問題。針對該問題，Bergman等人。2¨討論了SCADA系
統(tǒng)測試床組件之間連接的安全性、性能、資源分配、再現(xiàn)性、保
真性要求，并提出了虛擬電力系統(tǒng)測試床(VPST)體系結(jié)構(gòu)。
Chabukswar等人采用了基于美國國防部HLA的C2WindTunnel
工業(yè)控制系統(tǒng)仿真框架來實現(xiàn)不同仿真引擎之間的交互。
HLA是1995年美國國防部(DOD)發(fā)布的建模與仿真大綱
(DOD M&amp;amp;S master plan)中關(guān)于開發(fā)建模和仿真通用技術(shù)框架
中的首要內(nèi)容，其主要目的是整合各種形態(tài)的仿真系統(tǒng)，為仿
真過程中的時間同步與數(shù)據(jù)交換提供服務(wù)，促進仿真應(yīng)用的互
操作性和仿真資源的可重用性。
軟件聯(lián)合仿真技術(shù)為工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)及相關(guān)攻擊的
建模和仿真提供了一種相對低成本的方法。軟件仿真技術(shù)雖
然能夠?qū)ξ锢硐到y(tǒng)進行快速、準確的分析，但是應(yīng)用在信息安
全方面卻顯得能力有限。由于信息和通信技術(shù)的復(fù)雜性和多
樣性，要想通過軟件仿真來分析各種真實的計算機病毒和惡意
軟件對SCADA系統(tǒng)所造成的信息物理影響有著相當大的難
度，因為這需要對系統(tǒng)中的所有網(wǎng)絡(luò)通信組件進行大量詳細具
體的建模，而且僅能進行軟件仿真，缺乏與真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組件
的交互，不能真實反映惡意攻擊對SCADA系統(tǒng)中的計算機和
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行破壞的情況。
萬方數(shù)據(jù)
第7期黃慧萍，等：SCADA系統(tǒng)信息安全測試床研究進展·1929·
2．4仿真模擬相結(jié)合的混合測試床
為了克服軟件聯(lián)合仿真SCADA系統(tǒng)信息安全測試床的上
述缺點，近年來有些研究人員開始研究建立仿真與模擬相結(jié)合
的混合結(jié)構(gòu)測試床，這類測試床代表了工業(yè)SCADA系統(tǒng)測試
床技術(shù)的最新研究方向。他們在SCADA系統(tǒng)的物理層上采用
軟件建模仿真的技術(shù)，而在SCADA系統(tǒng)的信息層上則采用一
些實際的網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)備來模擬SCADA系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)
絡(luò)中的各節(jié)點，包括模擬SCADA服務(wù)器、HMI以及控制網(wǎng)絡(luò)
中的PLC等。
Emulab是由美國Utah大學(xué)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)測
試平臺，是一個集成軟硬設(shè)備的實驗環(huán)境。Emulab根據(jù)用戶
提交的NS配置腳本為用戶構(gòu)建一個具備真實網(wǎng)絡(luò)組件的模
擬實驗網(wǎng)絡(luò)，用戶可以直接對實驗網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點安裝OS
系統(tǒng)以及系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件等，進行各種網(wǎng)絡(luò)模擬實驗?；?
于Emulab的模擬技術(shù)綜合了軟件與實物仿真技術(shù)，可以實現(xiàn)
各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及應(yīng)用程序的模擬，仿真度高。
與此類似的網(wǎng)絡(luò)模擬實驗床還有DETERI丑b、PlanetLab等。之
所以要采用Emulab、DETERLab這類模擬實驗床來建立SCA．
DA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲，是因為要研究SCADA系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的
安全性和適應(yīng)性，必須掌握與所有計算機網(wǎng)絡(luò)故障有關(guān)的功
能、行為和狀態(tài)，其中很多是未知的，若僅僅使用傳統(tǒng)的Ns．2、
OMNeT++等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件就難以滿足這樣的要求。而以
Emulab、DETERLab等為代表的一些網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)M平臺以其特
有的軟件系統(tǒng)和基于真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的特點，越來越受到SCA—
DA系統(tǒng)信息安全研究人員的關(guān)注。通過使用這類成熟的網(wǎng)
絡(luò)實驗平臺來模擬SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲能夠盡量真實地反
映SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題，得到更真實的仿真效果。
2．4．1 基于Emulab的SCADA系統(tǒng)測試床
從目前的研究資料和文獻來看，業(yè)內(nèi)使用該技術(shù)最典型的
成功案例之一是歐洲執(zhí)行委員會聯(lián)合研究中心NIS實驗室的
Genge等研究人員建立的一個實驗平臺原型系統(tǒng)悼“。他們提
出了一種仿真與模擬相結(jié)合的混合實驗體系結(jié)構(gòu)來研究網(wǎng)絡(luò)
化工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性與適應(yīng)性。該實驗平臺的體
系結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4仿真與模擬相結(jié)合的混合測試床結(jié)構(gòu)
Genge等人提出的這種SCADA系統(tǒng)信息安全實驗平臺的
體系架構(gòu)分為三層：信息層、物理層和信息一物理層。信息層
包括SCADA系統(tǒng)中常見的一些ICT組件設(shè)備，物理層包括被
控物理對象的仿真模型，信息一物理層是一個連接層，它通過
一個共享的存儲區(qū)域?qū)⑿畔优c物理層結(jié)合起來。在物理層，
使用諸如MATLAB Simulink等仿真軟件來對系統(tǒng)的物理過程
進行建模仿真，仿真器運行在仿真核心單元內(nèi)，執(zhí)行被控物理
系統(tǒng)的模型。仿真器的執(zhí)行時間與底層操作系統(tǒng)的定時服務(wù)
相協(xié)調(diào)。在信息層上，采用Emulab架構(gòu)和軟件’2到將SCADA
系統(tǒng)中的物理設(shè)備(如SCADA服務(wù)器、交換機等)自動、動態(tài)
地映射為虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲中的節(jié)點，Emulab軟件盡可能準確地
將整個SCADA系統(tǒng)的物理拓撲模擬成一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)拓撲。
除了控制網(wǎng)絡(luò)，信息層還包括控制邏輯代碼，也就是在實際
SCADA系統(tǒng)中運行于PLC內(nèi)的代碼。信息一物理層包括PLC
的存儲器，即PLC的一組寄存器，該層提供一個通信接口以便
信息層和物理層之間進行交互。存儲寄存器還提供接口以建
立物理模型的輸入量(如閥門的位置)與輸出量(如傳感器的
值)之間的聯(lián)系。
Genge等人提出的這種工業(yè)SCADA系統(tǒng)測試床采用模塊
化方法構(gòu)建，主要包括三個模塊單元：仿真核心單元(SC)、遠
程PLC單元(R—PLC)以及SCADA主站單元。sc單元的主要
作用是提供物理系統(tǒng)模型的軟實時仿真；R-PLC的主要作用是
為主站訪問物理模型提供接口；主站單元的主要作用是根據(jù)接
收到的來自遠程LC單元的傳感器值來執(zhí)行一定的控制算法
代碼。
2．4．2基于DETERLab的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制系統(tǒng)測試床
Hussain等人Ⅲo應(yīng)用DETERLab構(gòu)建了一個測試床來研
究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的安全性，他們利用DETERLab提供的相關(guān)
工具和方法進行實驗，研究了拒絕服務(wù)攻擊對網(wǎng)絡(luò)化控制／
SCADA系統(tǒng)性能的影響。他們提出的這種基于DETERLab的
模擬仿真相結(jié)合的實驗平臺體系架構(gòu)如圖5所示。
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圖5 基于DETERLab的模擬仿真相結(jié)合的實驗平臺體系架構(gòu)
圖5中左側(cè)部分是建立被控物理對象的常微分方程
(ODE)，以便對被控系統(tǒng)進行仿真；右側(cè)部分是對控制器進行
仿真；中間部分即為DETERLab實驗床，它用于模擬被控物理
對象與控制器間的通信網(wǎng)絡(luò)。DETERLab提供了多種工具來
模擬生成各種網(wǎng)絡(luò)流量、攻擊流量。模擬網(wǎng)絡(luò)與被控物理模型
和控制器之間分別通過各自的接口進行通信。物理模型接口
將數(shù)據(jù)通過模擬的通信網(wǎng)絡(luò)傳送給控制器，控制器接收到數(shù)據(jù)
后執(zhí)行一定的控制算法，再將控制信號通過控制器接口輸入到
模擬網(wǎng)絡(luò)中，進而傳送給被控物理模型，改變其狀態(tài)值。
分析可知，Hussain等人所采用的這種測試床結(jié)構(gòu)與
Genge等人的方法類似，也主要是采用模塊化方法來構(gòu)建，主
要包括物理系統(tǒng)仿真、信息網(wǎng)絡(luò)模擬以及物理一信息接口三個
部分。Hussain等人采用這種測試床體系研究了多個線性系統(tǒng)
在受到分布式拒絕服務(wù)攻擊時的結(jié)果，并對研究結(jié)果進行了初
步分析。
3展望
通過分析上述研究成果不難看出，以Genge等人為代表所
提出的這種仿真與模擬相結(jié)合的混合測試床架構(gòu)是業(yè)內(nèi)最新
一一
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萬方數(shù)據(jù)
·1930· 計算機應(yīng)用研究第32卷
的一種技術(shù)方向，也是未來SCADA系統(tǒng)信息安全測試床的發(fā)
展方向。如前文所述，Emulab、DETERLab能夠滿足信息安全
實驗環(huán)境的一般要求，只要想辦法使其能夠支持物理系統(tǒng)，那
么就能很好地用于SCADA系統(tǒng)信息安全的實驗研究工作。通
過在Emulab、DETERLab實驗床的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上安裝SCADA軟
件，建立Simulink仿真模型，運行PLC代碼，并采用一定的算
法實現(xiàn)仿真同步，那么就能將Emulab、DETERLab實驗床與物
理系統(tǒng)仿真集成在一起，從而滿足對網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制和SCA．
DA這樣典型的信息物理系統(tǒng)進行安全性研究的實驗需要。
關(guān)鍵技術(shù)點包括三方面：a)使用諸如Emulab、DETERLab等成
熟的網(wǎng)絡(luò)實驗床來模擬系統(tǒng)的通信控制網(wǎng)絡(luò)，其中包括PLC
和SCADA服務(wù)器等設(shè)備；b)使用MATLAB Simulink等軟件仿
真工具來對被控物理過程進行建模仿真；c)采用一定的算法
實現(xiàn)物理過程仿真與網(wǎng)絡(luò)模擬的同步運行，使基于Simulink的
物理模型能夠與Emulab、DETERLab等網(wǎng)絡(luò)模擬實驗床中的實
際IT組件進行實時交互。
如前文所述，近年來網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制和SCADA系統(tǒng)信息
安全測試床的研究工作已經(jīng)取得了一定的成果，但是目前的測
試床僅考慮的是對單一對象、單一過程、單個基礎(chǔ)設(shè)施的控制
仿真建模，如Davis、Mallouhi等人。16’”1建立的電力SCADA系
統(tǒng)仿真測試床，沒有考慮多種不同領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施。但是
在國家的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中，有不少SCADA系統(tǒng)是彼此關(guān)聯(lián)的，
如電力一鐵路SCADA系統(tǒng)。針對這類系統(tǒng)的信息攻擊會引起
一系列相關(guān)的連鎖影響。例如，王獻良等人在文獻中以一個電
力一供水SCADA系統(tǒng)為例_副討論了關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆
弱性。要研究這類關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施SCADA系統(tǒng)的信息安全問
題，就必須建立相應(yīng)的測試床進行各種仿真模擬實驗。所以，
如何進一步完善目前的SCADA系統(tǒng)信息安全測試床架構(gòu)，使
其符合關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施SCADA系統(tǒng)的信息安全研究需要，是未
來的一個重要研究方向。
4結(jié)束語
建立SCADA系統(tǒng)的仿真模擬測試床是一項重要的基礎(chǔ)性
工作。利用SCADA系統(tǒng)測試床，研究人員可以分析系統(tǒng)的信
息安全問題、評估系統(tǒng)的安全風險，選擇適合的保障措施來確
保SCADA系統(tǒng)的信息安全。本文對比分析了目前具有代表性
的幾類SCADA系統(tǒng)信息安全測試床的典型實例，指出了各種
測試床的優(yōu)缺點和關(guān)鍵技術(shù)、開發(fā)工具。在分析總結(jié)前人工作
的基礎(chǔ)之上，探討了SCADA系統(tǒng)信息安全測試床未來的發(fā)展
方向，以及有待進一步完善的問題，提出了未來可能的研究方
向與目標。
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