基于規(guī)則引擎的工控資產(chǎn)分析系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

孔令源，段濱雪，梁尚福

(西南石油大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

當(dāng)前，我國已將工業(yè)控制系統(tǒng)(以下簡稱“工控系統(tǒng)”)大規(guī)模應(yīng)用于石油、化工和交通等重要領(lǐng)域，以提高生產(chǎn)效率并達(dá)到產(chǎn)業(yè)信息化。由于大部分工控系統(tǒng)是通過公共網(wǎng)絡(luò)連接傳遞信息，其系統(tǒng)安全將時刻面臨被非法入侵的威脅，因此，做好網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)探測和分析尤為重要。根據(jù)ISO 13335-1：2004《IT安全管理指南》中的定義，資產(chǎn)作為網(wǎng)絡(luò)安全管理的對象，包括信息、硬件、軟件、服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)探測是指追蹤、掌握網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)情況的過程，通常包括操作系統(tǒng)識別、服務(wù)識別等，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控、威脅態(tài)勢感知提供系統(tǒng)認(rèn)知基礎(chǔ)[1-4]。

本文主要探討IP、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等工控環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)，并對傳統(tǒng)的資產(chǎn)探測系統(tǒng)進(jìn)行問題分析，最終結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景提出一種基于規(guī)則引擎的工控資產(chǎn)分析系統(tǒng)，顯著提升了工控環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)的監(jiān)控和探測水平，為工控安全的維護(hù)提供有力幫助。

1 相關(guān)研究工作分析

新型資產(chǎn)探測技術(shù)主要分為主動和被動兩大類。基于主動的資產(chǎn)探測盡管適用于全網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)，然而該方法噪聲大，從而易觸發(fā)報警，對資產(chǎn)分析的準(zhǔn)確性不高；并且僅能了解當(dāng)前探測的狀態(tài)，對安全設(shè)備保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)探測的難度大，而現(xiàn)在大多數(shù)工控系統(tǒng)都有安全設(shè)備的保護(hù)，因此不適合在實(shí)際情況下使用[5]?；诒粍拥馁Y產(chǎn)探測技術(shù)無額外網(wǎng)絡(luò)流量插入，對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的影響小；對受安全設(shè)備保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)也具備一定的探測能力；支持歷史數(shù)據(jù)的積累。因此，非常適合于工控集群中的資產(chǎn)分析[6]。

通過以上分析，本文以流量分析和統(tǒng)計分析為基礎(chǔ)，通過被動方式對工控集群內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行采集監(jiān)控，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行細(xì)粒度分析，得到工控資產(chǎn)信息，最終構(gòu)建一個基于B/S架構(gòu)工控資產(chǎn)分析系統(tǒng)。通過被動式探測來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)空間資產(chǎn)的測繪摸底，便于理清網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)邊界，及時發(fā)現(xiàn)隱形資產(chǎn)。該系統(tǒng)使用了基于規(guī)則引擎的流量分析技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)無入侵且無需要人工干預(yù)，使用場景較為廣泛。并且，創(chuàng)新性地引入面向流量特征的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于識別資產(chǎn)類型，如個人主機(jī)、服務(wù)器或其他工控設(shè)備等。除此之外，通過可視化全景展示資產(chǎn)流量規(guī)律和網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)可見性。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)分析系統(tǒng)(見圖1)分為數(shù)據(jù)采集模塊、分析模塊、存儲模塊和展示模塊[7]。

圖1 網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)分析系統(tǒng)模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

Suricata是一個完整的系統(tǒng)，通過利用Suricata進(jìn)行數(shù)據(jù)包采集。

2.2 分析模塊

流量分析模塊：通過Suricata.yaml配置出最后Json輸出的信息，從而得到需要的資產(chǎn)各種信息。由于Suricata輸出的流量日志中已經(jīng)按照事件類型及字段進(jìn)行存儲，因此在對其進(jìn)行處理時，本系統(tǒng)分類的方式是對日志數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、拆分、存儲?？紤]到要提取的屬性差異性較大，所以在不同類型字段進(jìn)行了分表分類存儲。資產(chǎn)數(shù)據(jù)提取的過程如圖2所示。

注：A類：臨時數(shù)據(jù)；B類：直接存儲數(shù)據(jù)。

考慮到拆分之后得到的數(shù)據(jù)比較松散，因此通過IP地址建立不同屬性之間的邏輯關(guān)系，從而聚合形成資產(chǎn)信息。通過“分類拆分、邏輯聚合”的方式，實(shí)現(xiàn)從日志信息到資產(chǎn)信息的提取過程。

機(jī)器學(xué)習(xí)模塊：機(jī)器學(xué)習(xí)模塊首先從數(shù)據(jù)庫中獲取得到相應(yīng)的流信息和端口，包括pkt_toserver(發(fā)送包數(shù)量)、pkt_toclient(接收包數(shù)量)、to_server(發(fā)送字節(jié)大小)、to_client(接收字節(jié)大小)以及flow_bytes(接收發(fā)送字節(jié)大小)；接著形成Dataframe格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，由于該特征屬性數(shù)量少，因此沒有進(jìn)行相關(guān)的降維處理；然后利用Scikit_learn的Cluster模塊中的Kmeans對資產(chǎn)進(jìn)行聚合得到資產(chǎn)類型，最后將資產(chǎn)類型存入數(shù)據(jù)庫中。機(jī)器學(xué)習(xí)模塊整個流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)模塊流程圖

經(jīng)過對機(jī)器學(xué)習(xí)模型的輪廓系數(shù)的計算，整個機(jī)器學(xué)習(xí)模型的輪廓系數(shù)為0.88，取得了較好的效果。

2.3 存儲模塊

存儲模塊由臨時數(shù)據(jù)、直接存儲數(shù)據(jù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)組成。其中，tb_asset_osmsg、tb_asset_mac、tb_record用于臨時存儲獲取的屬性數(shù)據(jù)，便于之后的聚合；tb_stats、tb_asset_flow用于保存可以直接存儲的數(shù)據(jù)；tb_asset、tb_service、tb_host用于保存聚合之后的資產(chǎn)信息，值得注意的是，tb_asset和tb_service兩表中存在一對多的關(guān)系。表之間的ER關(guān)系如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫ER圖

2.4 展示模塊

本系統(tǒng)使用了SpringMVC、Mybatis-Plus、Spring、Thymeleaf、AdminLTE、Drools等技術(shù)來構(gòu)建Web端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對資產(chǎn)的展示。Web端包括4個模塊，分別為導(dǎo)航模塊、詳情模塊、通信關(guān)系模塊和搜索模塊。

為了保證專供瀝青車輛隨到隨裝，崔曉波和運(yùn)輸車隊(duì)的司機(jī)師傅們互加微信好友，打開位置共享就能時刻掌握車輛位置信息，精準(zhǔn)把握提貨單開具時間。同時，崔曉波還在裝車現(xiàn)場密切關(guān)注每輛罐車的裝車進(jìn)度，提前與其他罐車師傅協(xié)調(diào)，確保專供瀝青運(yùn)輸車輛隨到隨裝，裝不完就加班裝。

導(dǎo)航模塊使用Morris Charts實(shí)現(xiàn)對資產(chǎn)總體流量情況的可視化展示，用戶能夠通過該界面獲取資產(chǎn)數(shù)量、服務(wù)數(shù)、未知設(shè)備數(shù)的統(tǒng)計信息，對工控環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)進(jìn)行全局了解，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)航模塊

資產(chǎn)詳情模塊使用Flot Charts實(shí)現(xiàn)對單個資產(chǎn)近期流量的展示，用戶能夠通過該界面獲取單個資產(chǎn)面臨的惡意流量的威脅信息，為工控安全的維護(hù)提供幫助，如圖6所示。

圖6 資產(chǎn)詳情模塊

通信模塊使用Cytoscape實(shí)現(xiàn)對資產(chǎn)通信關(guān)系的展示，通過可視化展示使用戶清楚了解多個資產(chǎn)之間的通信關(guān)系，從而有利于用戶確定與威脅相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)，如圖7所示。

圖7 通信模塊

搜索模塊能夠?qū)χ付ǖ馁Y產(chǎn)進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果進(jìn)行展示，用戶能夠通過輸入查詢條件對主機(jī)信息進(jìn)行查詢，并通過點(diǎn)擊特定主機(jī)內(nèi)容框獲取主機(jī)詳細(xì)信息，包括更新時間、應(yīng)用層服務(wù)等，為工控環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控提供信息基礎(chǔ)，如圖8所示。

圖8 搜索模塊

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)測試環(huán)境基于阿里云應(yīng)用主機(jī)，主要配置如下。操作系統(tǒng)：Centos7.3。CPU/內(nèi)存：1核/2 GB。硬盤：40 GB。帶寬：1 Mbps。

軟件環(huán)境如下。JDK：OpenJDK 1.8.0。數(shù)據(jù)庫：MySQL5.7.2。緩存中間件：Redis 5.0.2。流量解析工具：Zeek 4.0.2。瀏覽器版本：Firefox Version68。

圖9 系統(tǒng)首頁測試

3.1 測試數(shù)據(jù)上傳模塊

由于目前系統(tǒng)中并沒有數(shù)據(jù)，因此先通過數(shù)據(jù)上傳模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳分析，測試系統(tǒng)上傳模塊的功能如圖10所示。

圖10 文件上傳測試

文件通過上傳模塊上傳到服務(wù)器之后，服務(wù)器將會對數(shù)據(jù)根據(jù)配置好的規(guī)則進(jìn)行解析，如圖11所示。從圖中可以看出，由于192.168.0.106以及192.168.0.100符合工控資產(chǎn)的規(guī)則(位于192.168.0.X)，因此在規(guī)則引擎執(zhí)行完之后，isAsset會從“false”被標(biāo)記為“true”。資產(chǎn)識別的規(guī)則如圖12所示。

圖11 后臺日志部分信息

圖12 資產(chǎn)識別規(guī)則圖

3.2 測試數(shù)據(jù)展示模塊

在文件上傳模塊將數(shù)據(jù)上傳之后，后臺會自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析識別，得到資產(chǎn)信息。通過訪問首頁能夠查看識別出來的資產(chǎn)匯總信息，如圖13所示。系統(tǒng)一共識別出了9個資產(chǎn)信息，總服務(wù)數(shù)位7 836，未知設(shè)備數(shù)以及惡意設(shè)備數(shù)都為0。

圖13 系統(tǒng)首頁測試

3.3 測試數(shù)據(jù)搜索模塊

對搜索模塊進(jìn)行訪問，查看數(shù)據(jù)概覽信息，如圖14所示。資產(chǎn)信息主要是以192.168.0.X網(wǎng)段為主。通過專業(yè)的開源包分析工具Wireshark對test2.pcapng進(jìn)行分析，可以得出該pcap是以192.168.0.X網(wǎng)段的包，如圖15所示。

圖14 搜索模塊測試

圖15 Wireshark分析

3.4 測試數(shù)據(jù)展示模塊

在搜索模塊，選擇任意一個資產(chǎn)，進(jìn)入查看其詳情信息(以192.168.0.109為例)，如圖16所示。

圖16 資產(chǎn)詳情信息測試

進(jìn)一步查看資產(chǎn)通信關(guān)系，如圖17所示。測試數(shù)據(jù)集中的資產(chǎn)主要與192.168.0.1進(jìn)行通信，原因就是192.168.0.1是一個路由器，所有節(jié)點(diǎn)需要通過路由器與互聯(lián)網(wǎng)的其他主機(jī)通信，測試結(jié)果符合樣本實(shí)際。

圖17 資產(chǎn)關(guān)系測試

4 結(jié)語

本文就當(dāng)前工控網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀，提出使用基于規(guī)則引擎的流量分析技術(shù)對工控資產(chǎn)進(jìn)行高效分析的工控資產(chǎn)分析系統(tǒng)的設(shè)計方案，對網(wǎng)絡(luò)無入侵性且無需人工干預(yù)，使用場景較為廣泛。除此之外，通過可視化全景展示資產(chǎn)流量規(guī)律和網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)可見性，并通過被動式探測來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)空間資產(chǎn)的測繪摸底，便于理清網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)邊界，及時發(fā)現(xiàn)隱形資產(chǎn)。