CPS域 

在介紹了保護(hù)CPS的一般原則之后，在本節(jié)中，我們將討論CPS的特定域安全問(wèn)題。我們特別關(guān)注工業(yè)控制系統(tǒng)、電網(wǎng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、車(chē)輛、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)。

3.1 工業(yè)控制系統(tǒng)

工業(yè)控制系統(tǒng)代表了連接到物理世界的各種網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)系統(tǒng)[157]。根據(jù)應(yīng)用的不同，這些控制系統(tǒng)在化學(xué)工業(yè)中也稱(chēng)為過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS），如果用于監(jiān)督和控制的設(shè)備是使用整體架構(gòu)采購(gòu)的，則稱(chēng)為分布式控制系統(tǒng)（DCS）。

控制系統(tǒng)通常由一組網(wǎng)絡(luò)代理組成，由傳感器、執(zhí)行器、控制處理單元（如可編程邏輯控制器（PLC）、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）和通信設(shè)備組成。例如，石油和天然氣行業(yè)使用集成控制系統(tǒng)來(lái)管理工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的煉油操作，遠(yuǎn)程監(jiān)控天然氣管道的壓力和流量，并控制天然氣輸送的流量和路徑。自來(lái)水公司可以遠(yuǎn)程監(jiān)控井位并控制水井的泵;監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐中的流量、儲(chǔ)罐液位或壓力;監(jiān)測(cè)pH值、濁度和氯殘留量;并控制向水中添加化學(xué)物質(zhì)。

控制系統(tǒng)具有分層層次結(jié)構(gòu)[1]，可用于網(wǎng)絡(luò)分段并確保訪(fǎng)問(wèn)控制。圖5顯示了此層次結(jié)構(gòu)的較低層的圖示。

頂層主要使用傳統(tǒng)的信息技術(shù)：計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)和相關(guān)軟件。他們控制業(yè)務(wù)物流系統(tǒng)，該系統(tǒng)管理基本的工廠(chǎng)生產(chǎn)計(jì)劃、材料使用、運(yùn)輸和庫(kù)存水平，以及工廠(chǎng)績(jī)效，并保留數(shù)據(jù)歷史記錄以進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析（例如，預(yù)測(cè)性維護(hù)）。

監(jiān)控層是監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)和其他服務(wù)器與可編程邏輯控制器（PLC）和遠(yuǎn)程終端單元（RTU）等遠(yuǎn)程控制設(shè)備通信的地方).控制室中的服務(wù)器與這些控制設(shè)備之間的通信是通過(guò)監(jiān)督控制網(wǎng)絡(luò)（SCN）完成的。

監(jiān)管控制在下層完成，涉及現(xiàn)場(chǎng)儀表，例如傳感器（溫度計(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)等）和執(zhí)行器（泵、閥門(mén)等）。雖然傳統(tǒng)上這種接口是模擬的（例如，4-20毫安），但傳感器和執(zhí)行器數(shù)量的增加以及它們?cè)黾拥闹悄芎凸δ埽呀?jīng)產(chǎn)生了新的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)（FCN），其中PLC和其他類(lèi)型的控制器與遠(yuǎn)程輸入/輸出盒連接，或直接與傳感器和執(zhí)行器連接，使用新的基于以太網(wǎng)的工業(yè)協(xié)議（如ENIP和PROFINET）以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（如WirelessHART）。還提出了幾種環(huán)形拓?fù)鋪?lái)避免這些網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)故障，例如在ENIP上使用設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)（DLR）。

SCN和FCN網(wǎng)絡(luò)代表運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)，它們具有不同的通信要求和不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。雖然SCN可以容忍高達(dá)幾秒鐘的延遲，但FCN通常需要一個(gè)數(shù)量級(jí)的較低通信延遲，通常支持周期為400us的設(shè)備之間的通信。

入侵檢測(cè)是保護(hù)控制系統(tǒng)的熱門(mén)研究課題，這包括使用適用于工業(yè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)視器[107，109，158，110，111，159，112]，以及基于物理的異常檢測(cè)[30，114，116，160，113，161]。我們監(jiān)控系統(tǒng)物理的層可以對(duì)可以檢測(cè)到的攻擊類(lèi)型產(chǎn)生重大影響[162]。

特別是，攻擊者可以從（1）SCADA服務(wù)器[163]破壞并發(fā)起攻擊，(2)控制器/PLC[164]、（3）傳感器[29]和（4）執(zhí)行器[165]，這些攻擊中的每一個(gè)都可以在系統(tǒng)的不同層觀(guān)察到。

工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控工作大部分已在SCN部署了網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)。但是，如果異常檢測(cè)系統(tǒng)僅部署在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，則受損的PLC可以將操縱的數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)假裝向監(jiān)督控制網(wǎng)絡(luò)報(bào)告一切正常。在Stuxnet攻擊中，攻擊者破壞了PLC（西門(mén)子315）并發(fā)送了操縱控制信號(hào)ua（與原始信號(hào)不同，u，即ua u）。收到ua后，變頻器周期性增加和轉(zhuǎn)子速度降低，遠(yuǎn)高于和低于其預(yù)期運(yùn)行水平。當(dāng)變頻器y的狀態(tài)隨后被繼電器回PLC時(shí)，受到損害的PLC向控制中心報(bào)告了一個(gè)操縱值yay（聲稱(chēng)設(shè)備是正常運(yùn)行）。對(duì)西門(mén)子417控制器[164]進(jìn)行了類(lèi)似的攻擊，攻擊者在PLC上捕獲了21秒的有效傳感器變量，然后連續(xù)重放它們。在攻擊期間，確保通過(guò)SCN發(fā)送到SCADA監(jiān)視器的數(shù)據(jù)看起來(lái)正常[164]。Giraldo等人對(duì)各種ICS攻擊（控制器，傳感器或執(zhí)行器攻擊）的可檢測(cè)性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。[162]，最終建議是在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以及控制的不同回路中部署系統(tǒng)監(jiān)視器系統(tǒng)。

除了攻擊檢測(cè)，防止系統(tǒng)達(dá)到不安全狀態(tài)也是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域[39，166，167，168，169]。基本思想是確定控制動(dòng)作可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，因此參考監(jiān)視器將阻止該控制信號(hào)到達(dá)物理系統(tǒng)。其他研究領(lǐng)域包括遺留系統(tǒng)中的安全性改造[170，87]和工業(yè)控制設(shè)備中的惡意軟件[171，172]。Krotofil和Gollmann對(duì)ICS安全研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要調(diào)查[173]，對(duì)ICS安全領(lǐng)域最新實(shí)踐的回顧包括Knowles等人的工作。[174，78]。

研究工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題是平臺(tái)的多樣性，包括設(shè)備（不同制造商使用不同技術(shù)）和應(yīng)用（水、化學(xué)系統(tǒng)、石油和天然氣等）的多樣性。因此，該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是結(jié)果的可重復(fù)性和工業(yè)控制測(cè)試臺(tái)的通用性[175]。