工业现场总线网络入侵防御系统分析

工业现场总线网络入侵防御系统分析摘要：工业现场总线网络入侵防御系统是确保工业控制系统安全的关键技术。它通过实时监测网络流量、数据分析和入侵检测算法，发现并防御各种网络攻击，保障工业现场总线网络的正常运行。本文设计一套能够部署在工业现场总线网络环境中，实时进行入侵猃测与防御，以弥补当前针对工业现场总钱网络的安全防护缺失的局限。该系统的应用不仅能够避免生产事故和经济损失，还可以为网络优化和改进提供支持。通过分析攻击数据和入侵行为，找出网络设计和配置中的薄弱环节，并进行针对性的优化，从而提高工业现场总线网络的可靠性。关键词：工业现场总线；工控系统；入侵防御；网络安全引言工业现场总线网络是工业控制系统的重要组成部分，它通过总线将各种控制器、仪器和设备连接起来，实现数据的传输和共享。然而，随着工业现场总线网络的广泛应用，网络安全问题日益凸显。工业现场总线网络入侵防御系统作为保障网络安全的关键技术，引起了广泛关注。工业现场总线网络入侵防御系统的核心目标是检测和防御各种网络攻击，确保工业现场总线网络的正常运行。为了实现这一目标，工业现场总线网络入侵防御系统采用了多种技术手段。首先，系统通过实时监测网络流量和数据分析，发现潜在的入侵行为。其次，系统采用了入侵检测算法，对网络数据进行深入分析，识别出具体的攻击类型。最后，系统根据攻击类型和严重程度，采取相应的防御措施，如报警、隔离攻击源等。工业现场总线网络入侵防御系统的应用对于提高工业现场总线网络的可靠性具有重要意义。一方面，系统能够及时发现和防御网络攻击，避免因攻击导致的生产事故和经济损失。另一方面，系统还可以为工业现场总线网络的优化和改进提供支持，如通过分析攻击数据和入侵行为，找出网络设计和配置中的薄弱环节，并进行针对性的优化。总之，工业现场总线网络入侵防御系统是保障工业现场总线网络安全的关键技术。通过实时监测、入侵检测和防御措施，系统能够有效提高工业现场总线网络的可靠性，为工业生产提供坚实的安全保障。1、工业现场总线网络工作原理1.1工业现场总线网络特点现场总线是工业生产中常用的一种数据传输总线，是自动化领域中底层数据通信网络。按照IEC/SC65C的规定，在制造区或处理区的现场装置和控制室内的自控装置之间有一种数字的、串行的和多点通讯的数据总线，被称作现场总线。现场总线技术是用来解决工业现场智能仪器、控制器和执行器等现场设备间的数据通讯问题，也是实现这些现场控制装置与上层控制系统间的信息传递的关键。现场总线是用数字通信替代4-20mA的模拟信号及常规的切换信号，实现了智能化现场装置与自动化系统之间的全数字化、双向、多站通信。一般的工控网络包括工业以太网和工业现场总线。现场总线具有六大技术特点：全数字通讯，开放式互联，互操作，智能化的现场设备，高度分布式的系统架构，对现场环境的适应能力。图1工业现场总线网络架构控制网络既要有确定性，又要有可重复的确定性，既要有有限的通讯延时，又要有一定的时间间隔，才能保证消息的顺利传递。在此基础上，本文提出了一种新的自适应无线传感器网络的可重复性方法。所以，传统的基于工业以太网的网络并不适用于控制系统。在现场总线网络中，为了确保系统的可靠性与可重复性，采取了两种方法：简化网络结构，简化通讯模型，简化节点信息；二是要使用网络管理技术，要使现场总线具有开放互联、互操作、互操作等特征，就需要有一个统一的总线规范。1996年到1998年间，Fieldbus基金会（FieldbusFoundation）和Profibus(ProfibusInternationalOrganization,PNO）共同颁布了工艺自动化的H1-H2(HSE）和ProfibusPA(ProfibusPA）。1999年，IEC61158国际标准，包含了8个现场总线标准，正式开始实施。EC61158是八种总线之间采用了截然不同的通讯协议，彼此地位相等。总线机构在不更改各自专用标准的前提下，按照EC61158技术报表的架构，自行制定各自的标准。1.2工业现场总线网络通信1)1)工业现场总线网络通信模型工业现场总线模型的物理层功能作用主要包括：一是将现场装置和物理总线进行通讯；二是为现场装置与传送媒体之间的通讯提供了一个机械、电子的接口；三是通过总线对现场装置进行物理信号的收发；四是实现了对仪器的电气隔离，信号的过滤，电源的供电。工业现场总线模式的数据链路层的作用是产生包含链路活动计划，数据接收与传输，设备状态检测与响应，设备之间的链路同步，传输信息的帧检查等内容的现场总线通讯协议控制信息。工业现场总线模式应用层的主要功能是为用户程序在现场总线通讯环境中的存取，或者作为"窗口"，使用户程序和其它有关的程序进行通讯。将其划分为两个子层：现场总线的通讯报文和总线的接入。子层是现场总线的接口，它是对现场总线报文的子层进行逻辑通讯的一种方式。目前，虚拟通讯信道主要分为三种：发布方-订阅方，报表分发方，以及客户机/服务器三种。现场总线通讯报文子层：按照规定的消息格式，在总线上进行数据的传送。2)PROFIBUS通信协议与报文格式PROFIBUS(ProcessFieldbus,PROFIBUS）是一种与设备生成商的具有开放性的、国际性的、与现场总线相关联的现场总线标准，具有广阔应用前景的工业应用前景。在制造自动化、流程工业自动化以及其它诸如建筑、运输、电力等自动化领域中得到了广泛的应用。PROFIBUS的发展从一开始集中在通讯技术，到现在已经把重点放在了系统整合和系统工程上，尤其是应用概要的研发上。FMS是一种基于PROFIBUS-FMS的现场总线技术，它是一种基于现场总线技术的现场总线技术。PROBIFUS-PA是一种适用于生产过程自动化系统的设备，也是一种适用于大流量，中等传输速率的周期及无周期通讯的设备。PROFIBUSDP是一种适用于生产过程中的生产过程控制系统，具有较高的生产效率。是一款专用于自控系统和装置级分散/分散/零间通讯，以实现分布式控制系统中各装置之间的高速数据传送。本论文所设计的工控系统要求对工业现场总线的通讯报文进行深入的剖析，本文以PROFIBUS-DP为实例，对其进行了详细的分析。PROFIBUS-DP使用了一个请求-应答的通讯方式，它的请求信息是这样的：SD2LELErDA2SAFCUDFXSED其响应报文的格式如下：SYNSD2LELErSD2DASAFCUDFCSED其中，SN.同步位，每个握手报文前必须保持33位长的空闲状态；SD2.启动符，规定报文类型；SD1.不带数据域的信息域长度固定；SD2.信息域长度可变；SD3.带数据域，信息域长度固定；SD4.令牌报文；SD5.短确认；LE.报文长度：LEr.重复报文长度：DA.目的地址；SA源地址；FC.功能码；UD,数据域；FCS.校验字节；ED.终止字节。2、工控现场总线网络入侵防御系统2.1工控现场总线网络面临的安全风险与威助针对工业现场总线的特点，提出了如下几个风险方面的内容：1）网络业务的异常。在总线上，当一个结点的通讯流量急剧增加或减少时，就有可能遭受到网络风暴，拒绝服务攻击；2)网络通讯的请求或回复信息是错误的，它可以被假冒的，或者是被控制的，或者是被攻击的；3)存在不熟悉的网络节点，可对传感器、执行器、控制器等进行非法访问，并携带有恶意代码；4）网络节点突发性脱机，可遭受网络风暴、拒绝服务或控制命令等多种危险。针对这一问题，本论文提出了一种新的基于CAN总线的IDS系统：图2工业现场总线网络入侵检测系统总体架构CPU的硬件指令体系支持X86,ARM,MPS，以及本土化的芯片指令.在此基础上，将整个系统划分为三大部分：Linux内核，控制平面，数据平面；Linux核心对总线接口进行管理，内存管理，进程管理，任务切换等。控制面则是对整个系统进行全面的管理，并对其进行相应的策略分配；数据平面主要用于分析工业现场总线上的通讯流量，检测安全威胁。该技术主要应用于工业现场总线上的通信流分析，安全威胁检测等方面。在工业现场总线上通讯量很小的情况下，为尽量降低对硬件的占用，在Linux内核和数据面的内部通讯中，使用了共享存储技术。2.2身份认证与访问控制不同的认证身份有不同的认证方法。例如，5GAKA和EAPAKA等鉴权技术被用于移动网络接入网络；在Ethernet中采用802.1x之类的鉴权技术；而在应用层面，则有各种不同的认证方法，比如GBA,AKMA等；其中，密码鉴权、X.590鉴权、域鉴权等已被广泛应用于物联网平台。针对工业现场网络设备，尚无成熟的认证技术与体系。本论文所设计的身份验证模块，主要是针对假冒的总线网络节点以及不熟悉的总线网络节点的访问验证问题：当有新的网络节点设备被发现时，会向异常流量检测和网络入侵检测模块发出提示，并且向此节点设备发出警报，若出现异常或受到攻击，则停止与其它节点的通讯。2.3异常流量检测异常流量探测技术是针对网络风暴、拒绝服务攻击等可能造成的网络业务急剧增加或急剧减少，以及网络节点突然脱线等异常现象的有效手段。在此基础上，将业务流量统计与异常判定、设备业务量吞吐量统计、设备业务量率统计三个子模块进行了研究。基于设备元数据信息库中的设备网络互动行为元数据表中的资料，对设备流量吞吐量统计和设备流量率统计两个模块进行了统计分析。在此基础上，通过业务统计分析和异常判定模块，对发生了异常情况的情况进行判定，并将其存储在设备元数据中的与设备有关的安全事件列表中。工业现场总线网络具有线型（总线、菊花链）、树形和星形三种网络结构，可有效防范工控设备对PLC等工控设备的入侵，也可防范不同总线网络间的入侵及威胁的蔓延。3、结语工业现场总线网络入侵防御系统在保障工业控制系统安全方面发挥着至关重要的作用。随着工业自动化和信息化的深度融合，工业现场总线网络的规模和复杂性不断增加，这也为网络安全带来了新的挑战。因此，加强工业现场总线网络入侵防御系统的研究与应用，不断提高系统的检测能力、响应速度和防御效果，对于确保工业生产的稳定运行和国家安全具有重要意义。通过不断优化和升级工业现场总线网络入侵防御系统，我们可以更好地保护工业控制系统免受网络攻击的威胁，为工业4.0和智能