本發(fā)明屬于工業(yè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測與過程安全，具體涉及用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的隱蔽式虛假數(shù)據(jù)注入方法與隱蔽性檢驗(yàn)方法，以及對應(yīng)的系統(tǒng)和設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)控制系統(tǒng)(ics)在石油化工、污水處理等流程工業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中廣泛應(yīng)用，其安全性和可靠性日益受到關(guān)注，其穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到國家安全和社會(huì)穩(wěn)定。隨著智能傳感器的應(yīng)用普及，大量實(shí)體設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)致ics所控制的實(shí)體設(shè)備和工業(yè)過程受攻擊面變大，面臨著越來越多的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

2、傳統(tǒng)的ics安全防護(hù)措施主要依賴于防火墻、入侵檢測系統(tǒng)以及異常檢測系統(tǒng)等手段。這些防護(hù)措施能夠在檢測和隔離系統(tǒng)故障的同時(shí)，對拒絕服務(wù)攻擊、欺騙攻擊等外部非法行為發(fā)出告警，然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)邊界防御被突破后，過程控制層直接面臨著巨大的安全性和穩(wěn)定性威脅。一些精心設(shè)計(jì)的攻擊能夠?qū)ΜF(xiàn)有的異常檢測系統(tǒng)保持隱蔽、不觸發(fā)告警。與設(shè)備老化受損等自發(fā)的故障不同，外部攻擊具有明確的意圖，攻防雙方構(gòu)成博弈關(guān)系。鑒于此背景，發(fā)明新穎的隱蔽式虛假數(shù)據(jù)注入方法及隱蔽性檢驗(yàn)方法有助于開展ics安全防護(hù)演練，對制定有針對性的反制措施具有重要指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決流程工業(yè)系統(tǒng)安全性檢測中安全測試和安全防護(hù)演練不全面的問題。

2、一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入方法，包括以下步驟：

3、s100、針對流程工業(yè)系統(tǒng)的被控過程，收集歷史輸入、輸出數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：

4、步驟a1、在正常工況下運(yùn)行的某段時(shí)間內(nèi)對控制指令和傳感器量測數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，將對應(yīng)于時(shí)刻k的系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出列向量數(shù)據(jù)分別記作u(k)和y(k)；

5、步驟a2、設(shè)定等價(jià)空間中的等價(jià)向量νs長度為s，時(shí)間窗口大小為n，并構(gòu)造過去數(shù)據(jù)對應(yīng)的漢克爾數(shù)據(jù)矩陣zp：

6、

7、步驟a3、基于時(shí)間節(jié)點(diǎn)k0，構(gòu)造未來漢克爾數(shù)據(jù)矩陣zf：

8、

9、s200、初始化攻擊向量：

10、步驟b1、對矩陣進(jìn)行奇異值分解，計(jì)算得到左奇異矩陣uz(0)，右奇異矩陣vz(0)和奇異值矩陣sz(0)，即初始時(shí)刻k＝0時(shí)的矩陣；

11、步驟b2、取左奇異矩陣uz(0)右上角子矩陣，子矩陣記作uz12，uz12的行數(shù)為s*m，列數(shù)為(s*m-n)；n為被控過程狀態(tài)變量個(gè)數(shù)；

12、步驟b3、初始化攻擊向量為

13、s400、利用攻擊向量生成數(shù)據(jù)序列：

14、步驟d1、設(shè)定一個(gè)任意大小的非零向量γ；

15、步驟d2、計(jì)算全部數(shù)據(jù)序列，as(k)＝haγ；

16、步驟d3、設(shè)定對應(yīng)于第q個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)注入序列asq；對于q＝1，2，…，m分別設(shè)定asq是由as(k)向量的第(qs-s+1)行至第qs行組成；

17、s500、將數(shù)據(jù)序列注入到傳感器輸出通道中，包括以下步驟：

18、步驟e1、在傳感器輸出網(wǎng)絡(luò)傳輸通道找到量測值數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包；

19、步驟e2、將數(shù)據(jù)注入序列asq依次與第q個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道的原量測數(shù)值y(k)相加計(jì)算得到受攻擊的量測數(shù)值，記經(jīng)過篡改的量測值序列為ysa(k)；

20、步驟e3、對篡改后的數(shù)據(jù)重新打包，在相應(yīng)通道重新發(fā)送給控制器和故障檢測系統(tǒng)。

21、進(jìn)一步地，在進(jìn)行s400所述的利用攻擊向量生成數(shù)據(jù)序列之前，如果攻擊采用自適應(yīng)策略，需要針對流程工業(yè)系統(tǒng)的被控過程，收集在線輸入、輸出數(shù)據(jù)更新攻擊向量，包括以下步驟：

22、步驟c2、獲取最近s個(gè)時(shí)刻輸入、輸出數(shù)據(jù)序列u(k-s+1)，u(k-s+2)，...，u(k)和y(k-s+1)，y(k-s+2)，...，y(k)構(gòu)造緊湊的數(shù)據(jù)格式zs；

23、步驟c3、計(jì)算一階攝動(dòng)矩陣e(k)，e(k)＝zs(k)·zs(k)t，k表示該矩陣對應(yīng)于k時(shí)刻的數(shù)值；

24、步驟c4、計(jì)算奇異值更新矩陣uz(k)為左奇異矩陣，vz(k)為右奇異矩陣，k表示該矩陣對應(yīng)于k時(shí)刻的數(shù)值；記f(k)主對角線的第i個(gè)元素為fii(k)；

25、步驟c5、根據(jù)f(k)和奇異值矩陣sz(k)中的元素設(shè)定第一更新輔助矩陣g(k)中的元素，對于第j行第i列的元素：

26、若i≤j，

27、若i>j，

28、其中，σi(k)是sz(k)中的第i個(gè)奇異值；

29、類似地，根據(jù)f(k)和奇異值矩陣sz(k)中的元素設(shè)定第二更新輔助矩陣h(k)中的元素：對于第j行第i列的元素：

30、若i≤j，

31、若i>j，

32、步驟c6、分別更新奇異值矩陣sz(k+1)、左奇異矩陣uz(k+1)、右奇異矩陣vz(k+1)，如下：

33、sz(k+1)＝diag{(σi(k)+fii(k))}

34、uz(k+1)＝uz(k)(i+g(k))

35、vz(k+1)＝vz(k)(i+h(k))

36、其中，i是單位矩陣；

37、步驟c7、取左奇異矩陣uz(k+1)右上角子矩陣，子矩陣記作uz12(k+1)，其行數(shù)為s*m，列數(shù)為(s*m-n)；

38、步驟c8、設(shè)定攻擊向量為

39、當(dāng)進(jìn)行步驟s400之前，如果采用自適應(yīng)策略，那么在s400利用最新計(jì)算的攻擊向量生成數(shù)據(jù)序列的過程中，步驟d2計(jì)算全部數(shù)據(jù)序列as(k)＝haγ時(shí)的ha采用步驟c8中的計(jì)算結(jié)果。

40、進(jìn)一步地，步驟c2、構(gòu)造緊湊的數(shù)據(jù)格式zs如下：

41、

42、一種隱蔽性檢驗(yàn)方法，針對利用所述的一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入方法注入的虛假數(shù)據(jù)，進(jìn)行隱蔽性檢驗(yàn)；所述隱蔽性檢驗(yàn)過程包括：

43、步驟f1、取ha矩陣的第一行，記作νs；取左奇異矩陣uz右下角子矩陣，行數(shù)為s*l，列數(shù)為(s*m-n)，子矩陣記作uz22，取矩陣的第一行，記作νhs；

44、步驟f2、讀取與被篡改的傳感器量測值序列ysa(k)相對應(yīng)的采樣時(shí)刻的控制輸入序列，記作us(k)；

45、步驟f3、計(jì)算殘差向量估計(jì)值

46、步驟f4、進(jìn)行殘差評估，計(jì)算評估指標(biāo)t2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量其中殘差的協(xié)方差矩陣σr通過離線估計(jì)獲得；

47、步驟f5、進(jìn)行隱蔽性判斷：

48、基于卡方檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量設(shè)定閾值jth＝χα(n)/2，其中χα(n)是對應(yīng)于顯著性水平為α、自由度為n的卡方檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；若評估指標(biāo)j小于jth，則所實(shí)施的數(shù)據(jù)注入攻擊具有隱蔽性；否則，不具有隱蔽性。

49、一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入系統(tǒng)，包括：

50、歷史數(shù)據(jù)集構(gòu)建模塊：針對流程工業(yè)系統(tǒng)的被控過程，收集歷史輸入、輸出數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，具體過程包括：

51、步驟a1、在正常工況下運(yùn)行的某段時(shí)間內(nèi)對控制指令和傳感器量測數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，將對應(yīng)于時(shí)刻k的系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出列向量數(shù)據(jù)分別記作u(k)和y(k)；

52、步驟a2、設(shè)定等價(jià)空間中的等價(jià)向量νs長度為s，時(shí)間窗口大小為n，并構(gòu)造過去數(shù)據(jù)對應(yīng)的漢克爾數(shù)據(jù)矩陣zp：

53、

54、步驟a3、基于時(shí)間節(jié)點(diǎn)k0，構(gòu)造未來漢克爾數(shù)據(jù)矩陣zf：

55、

56、攻擊向量初始化模塊：用于初始化攻擊向量，具體過程包括：

57、步驟b1、對矩陣進(jìn)行奇異值分解，計(jì)算得到左奇異矩陣uz(0)，右奇異矩陣vz(0)和奇異值矩陣sz(0)，即初始時(shí)刻k＝0時(shí)的矩陣；

58、步驟b2、取左奇異矩陣uz(0)右上角子矩陣，子矩陣記作uz12，uz12的行數(shù)為s*m，列數(shù)為(s*m-n)；n為被控過程狀態(tài)變量個(gè)數(shù)；

59、步驟b3、初始化攻擊向量為

60、攻擊數(shù)據(jù)生成模塊：利用攻擊向量生成數(shù)據(jù)序列，具體過程包括：

61、步驟d1、設(shè)定一個(gè)任意大小的非零向量γ；

62、步驟d2、計(jì)算全部數(shù)據(jù)序列，as(k)＝haγ；

63、步驟d3、設(shè)定對應(yīng)于第q個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)注入序列asq；對于q＝1，2，...，m分別設(shè)定asq是由as(k)向量的第(qs-s+1)行至第qs行組成；

64、數(shù)據(jù)注入模塊：將數(shù)據(jù)序列注入到傳感器輸出通道中，包括以下步驟：

65、步驟e1、在傳感器輸出網(wǎng)絡(luò)傳輸通道找到量測值數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包；

66、步驟e2、將數(shù)據(jù)注入序列asq依次與第q個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道的原量測數(shù)值y(k)相加計(jì)算得到受攻擊的量測數(shù)值，記經(jīng)過篡改的量測值序列為ysa(k)；

67、步驟e3、對篡改后的數(shù)據(jù)重新打包，在相應(yīng)通道重新發(fā)送給控制器和故障檢測系統(tǒng)。

68、進(jìn)一步地，所述的一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入系統(tǒng)還包括在線數(shù)據(jù)更新模塊；

69、在攻擊數(shù)據(jù)生成模塊利用攻擊向量生成數(shù)據(jù)序列之前，如果攻擊采用自適應(yīng)策略，需要在線數(shù)據(jù)更新模塊針對流程工業(yè)系統(tǒng)的被控過程，基于在線輸入、輸出數(shù)據(jù)更新攻擊向量，包括以下步驟：

70、步驟c2、獲取最近s個(gè)時(shí)刻輸入、輸出數(shù)據(jù)序列u(k-s+1)，u(k-s+2)，...，u(k)和y(k-s+1)，y(k-s+2)，...，y(k)構(gòu)造緊湊的數(shù)據(jù)格式zs；

71、步驟c3、計(jì)算一階攝動(dòng)矩陣e(k)，e(k)＝zs(k)·zs(k)t，k表示該矩陣對應(yīng)于k時(shí)刻的數(shù)值；

72、步驟c4、計(jì)算奇異值更新矩陣uz(k)為左奇異矩陣，vz(k)為右奇異矩陣，k表示該矩陣對應(yīng)于k時(shí)刻的數(shù)值；記f(k)主對角線的第i個(gè)元素為fii(k)；

73、步驟c5、根據(jù)f(k)和奇異值矩陣sz(k)中的元素設(shè)定第一更新輔助矩陣g(k)中的元素，對于第j行第i列的元素：

74、若i≤j，

75、若i>j，

76、其中，σi(k)是sz(k)中的第i個(gè)奇異值；

77、類似地，根據(jù)f(k)和奇異值矩陣sz(k)中的元素設(shè)定第二更新輔助矩陣h(k)中的元素：對于第j行第i列的元素：

78、若i≤j，

79、若i>j，

80、步驟c6、分別更新奇異值矩陣sz(k+1)、左奇異矩陣uz(k+1)、右奇異矩陣vz(k+1)，如下：

81、sz(k+1)＝diag{(σi(k)+fii(k))}

82、uz(k+1)＝uz(k)(i+g(k))

83、vz(k+1)＝vz(k)(i+h(k))

84、其中，i是單位矩陣；

85、步驟c7、取左奇異矩陣uz(k+1)右上角子矩陣，子矩陣記作uz12(k+1)，其行數(shù)為s*m，列數(shù)為(s*m-n)；

86、步驟c8、設(shè)定攻擊向量為

87、此種情況下，攻擊數(shù)據(jù)生成模塊利用最新計(jì)算的攻擊向量生成數(shù)據(jù)序列的過程中，步驟d2計(jì)算全部數(shù)據(jù)序列as(k)＝haγ時(shí)的ha采用步驟c8中的計(jì)算結(jié)果。

88、進(jìn)一步地，步驟c2、構(gòu)造緊湊的數(shù)據(jù)格式zs如下：

89、

90、一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入設(shè)備，所述設(shè)備包括處理器和存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有至少一條指令，所述至少一條指令由處理器加載并運(yùn)行所述的一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入系統(tǒng)。

91、一種隱蔽性檢驗(yàn)系統(tǒng)，針對利用所述的一種用于流程工業(yè)系統(tǒng)安全測試的虛假數(shù)據(jù)注入系統(tǒng)注入的虛假數(shù)據(jù)，進(jìn)行隱蔽性檢驗(yàn)；所述隱蔽性檢驗(yàn)系統(tǒng)的檢測過程包括：

92、步驟f1、取ha矩陣的第一行，記作νs；取左奇異矩陣uz右下角子矩陣，行數(shù)為s*l，列數(shù)為(s*m-n)，子矩陣記作uz22，取矩陣的第一行，記作νhs；

93、步驟f2、讀取與被篡改的傳感器量測值序列ysa(k)相對應(yīng)的采樣時(shí)刻的控制輸入序列，記作us(k)；

94、步驟f3、計(jì)算殘差向量估計(jì)值

95、步驟f4、進(jìn)行殘差評估，計(jì)算評估指標(biāo)t2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量其中殘差的協(xié)方差矩陣σr通過離線估計(jì)獲得；

96、步驟f5、進(jìn)行隱蔽性判斷：

97、基于卡方檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量設(shè)定閾值jth＝χα(n)/2，其中χα(n)是對應(yīng)于顯著性水平為α、自由度為n的卡方檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；若評估指標(biāo)j小于jth，則所實(shí)施的數(shù)據(jù)注入攻擊具有隱蔽性；否則，不具有隱蔽性。

98、一種隱蔽性檢驗(yàn)設(shè)備，所述設(shè)備包括處理器和存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有至少一條指令，所述至少一條指令由處理器加載并運(yùn)行所述的一種隱蔽性檢驗(yàn)系統(tǒng)。

99、本發(fā)明具有以下有益效果：

100、一方面，通過偽造或篡改系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)，使被控過程在無異常告警的情況下偏離理想運(yùn)行狀態(tài)。為了提高實(shí)際部署的可行性，本發(fā)明采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，不需要預(yù)先知道被控系統(tǒng)模型參數(shù)。通過遞歸算法實(shí)現(xiàn)攻擊向量的自適應(yīng)更新，從而提高在線實(shí)時(shí)性。此外，本發(fā)明只需要在傳感器輸出通道單側(cè)注入數(shù)據(jù)，簡化了實(shí)施數(shù)據(jù)注入的復(fù)雜度。

101、另一方面，本發(fā)明也涉及在線檢驗(yàn)數(shù)據(jù)注入是否具有隱蔽性的方法，即已有的異常檢測系統(tǒng)是否能夠檢測出有數(shù)據(jù)注入的行為。從系統(tǒng)安全測試的防御方角度，可以判斷其是否仍然有效(能提示異常行為)，還是完全失效(被控工業(yè)流程受到攻擊時(shí)仍顯示“無異常”)。本發(fā)明的主要?jiǎng)訖C(jī)是為了提升流程工業(yè)系統(tǒng)的整體安全水平，幫助識(shí)別并修復(fù)潛在的安全漏洞，增強(qiáng)系統(tǒng)的防御能力。