基于行为模型的工控异常检测方法研究

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1、中文图书分类号：TP391密级：公开UDC：004学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：基于行为模型的工控异常检测方法研究论文作者：宋站威学科：计算机科学与技术指导教师：赖英旭教授论文提交日期：2017年5月UDC：004学校代码：10005中文图书分类号：TP391学号：S201407063密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：基于行为模型的工控异常检测方法研究英文题目：RESEARCHONANOMALYDETECTIONMETHODOFINDUSTRIALCONTROLSYSTEMBASEDONBE

2、HAVIORMODEL论文作者：宋站威学科专业：计算机科学与技术研究方向：信息安全申请学位：工学硕士指导教师：赖英旭教授所在单位：信息学部（原计算机学院）答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：宋站威日期：2017年05

3、月23日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：宋站威日期：2017年05月23日导师签名：赖英旭日期：2017年05月23日摘要摘要随着网络与信息化的不断推进，工业控制系统（IndustrialControlSystem，ICS）越来越多的接入信息网络，提高了工业生产效率，但是也增加了ICS网络的安全风险。近年来，随着针对ICS网络的有组织攻击越

4、来越频繁，并且ICS网络安全关系到国家安全，使ICS网络安全的研究成为了信息安全领域的重点问题。通过分析国内外的研究现状，目前工控入侵检测方法主要包括基于流量统计特征、流量模型、和协议应用层字段及字段关系的检测方法。但这些方法不能很好的检测篡改行为数据或控制程序的攻击，因此，提出了基于行为模型的工控异常检测方法。此工控异常检测方法主要包括三大部分：首先，提出了基于ModbusTCP的行为数据序列提取方法。根据ICS中Modbus应用层的地址值列表，获取控制行为和过程行为的行为数据地址值列表，从ICS网络流量中过滤包含行为数据地址值的会话流量，再根据Mo

5、dbusTCP的协议格式及数据编码方式，从行为数据地址值对应的寄存器或线圈中提取行为数据序列。其次，提出了基于数据依赖关系的行为模型构建方法。从正常的ICS网络中提取行为数据序列，根据行为模型的结构估计算法计算结构参数值，根据行为模型的参数估计算法计算参数估计值，再将行为模型转化为状态空间方程形式。最后，提出了基于绝对误差的阈值检测方法。从待检测的ICS网络中提取行为数据序列，利用正常行为模型预测输出行为数据序列，计算预测输出行为数据序列和实时提取的行为数据序列的绝对误差序列，选取合适阈值，再通过阈值检测算法匹配阈值短序列，检测是否存在异常入侵行为。论

6、文根据提出的基于行为模型的工控异常检测方法，构建了工控异常检测模型，设计与实现了基于行为模型的工控异常检测系统。并进一步，搭建了基于水槽液位控制系统的仿真实验环境和基于化工混合反应工艺的真实物理环境的测试实验环境，通过攻击实验双重验证了提出的基于行为模型的工控异常检测方法能有效实现对篡改行为数据或控制程序等攻击的异常检测。关键词：工业控制系统；网络安全；异常检测；行为模型；ModbusTCP-I-AbstractAbstractWiththerapiddevelopmentofnetworkandinformationtechnology,morean

7、dmoreICS(IndustrialControlSystem)accesstoinformationnetwork,whichimprovestheindustrialproductionefficiency,butincreasedtheICSnetworksecurityrisks.Inrecentyears,withtheorganizedattacksontheICSnetworkmoreandmorefrequent,andICSisanimportantpartofthenationalkeyinfrastructure,ICSnetw

8、orksecurityresearchhasbecomeakeyissueinthefield