论文题目：基于数字孪生的工业控制网络安全分析技术研究
摘要：数字孪生是人们仿照真实世界中的事物,在数字世界中创造的一种“克隆体”。近年来,随着信息技术的发展越来越快,覆盖的范围也越来越广,工业生产领域也逐渐敞开怀抱与信息技术相结合,发展出了数字孪生这样的综合化技术。通过数字孪生技术,工程师们可以在数字世界中对复杂、昂贵的设备大胆的进行“实验”而不必担心造成损伤,从而大大提高了效率,节省了成本。事实上这也正是目前工业控制网络中一个亟待解决的问题。相比于传统网络,工业控制网络中的现场设备往往脆弱且昂贵,并且由于工业生产的特殊性,因为安全评估而导致的工业设备停机的成本是难以承受的。这些特点使得在现有的工业控制网络中测试和推行一套新的网络安全方案变得十分困难。因此,本文研究了针对工业控制网络中的上位机、下位机等各类设备构建数字孪生体的技术,并在此基础之上结合现有的工业控制网络的安全分析技术,提出了一套基于数字孪生的工业控制网络安全分析技术。本文提出的分析技术能够发现工业控制网络中存在的安全隐患,还能够对网络安全策略进行模拟、测试与验证。由于本技术不干涉真实工业设备,相比传统分析方法具备低成本和高灵活的优点。本文的主要研究内容分为四部分:（1）对构建工业控制网络的数字孪生的方法进行了研究,提出了一套基于ns-3网络模拟器构建工业控制网络数字孪生的方法。这套方法设计的孪生设备能够对工业控制网络中的上位机、下位机和中间网络设备的网络行为进行模拟,并生成符合真实协议规范的网络流量。（2）对ns-3网络模拟器中数据包的转发机制进行了研究,通过对关键代码进行插桩实现了对数据包的过滤功能,进而实现了对网络安全策略的模拟。（3）提出了一种基于工业控制网络数字孪生的安全分析方法。通过孪生设备输出的日志来了解孪生设备的运行状况,然后通过调整孪生网络的网络拓扑和安全策略来测试和验证改进方案。（4）设计和实现了一套基于数字孪生的工业控制网络安全分析系统,支持通过图形界面编辑孪生网络拓扑和安全策略、通过动画展示孪生网络运行状况以及通过图表形式输出孪生网络运行结果。通过在本文设计的工控网络数字孪生上进行安全实验和安全分析,能够在不影响现场设备的情况下快速地发现现有安全策略的问题,然后可以进行针对性的改进和验证,对于工业控制网络长期的网络安全维护有着重要的现实意义。
关键词：数字孪生;工业控制网络;网络安全分析;安全策略测试;ns-3网络模拟;
学科专业：网络空间安全
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
1.2 研究历史与现状
1.2.1 数字孪生
1.2.2 工业控制网络安全分析
1.3 本文的主要贡献与创新
1.4 本论文的结构安排
第二章 相关技术
2.1 ns-3网络模拟器
2.1.1 ns-3简介
2.1.2 ns-3基本模型
2.1.3 ns-3的模拟流程
2.1.4 ns-3的网络接口
2.1.5 ns-3的调度机制
2.1.6 ns-3的可视化工具
2.2 Modbus通信协议
2.2.1 Modbus通信协议简介
2.2.2 Modbus/TCP协议结构
2.2.3 Modbus协议功能码
2.3 本章小结
第三章 工业控制网络数字孪生技术研究
3.1 分析方法概述
3.2 孪生网络构建
3.2.1 工业控制网络
3.2.2 基于ns-3的孪生网络构建
3.2.3 Modbus/TCP协议扩展
3.3 工控网络中设备的数字孪生
3.3.1 上位机数字孪生
3.3.2 指令序列的提取
3.3.3 下位机数字孪生
3.4 本章小结
第四章 基于数字孪生的网络安全分析技术研究
4.1 网络安全策略模拟
4.1.1 ns-3中数据包的接收流程
4.1.2 网络层数据包拦截
4.1.3 数据包过滤
4.2 网络安全策略测试与分析
4.3 本章小结
第五章 基于数字孪生的工控网络安全分析系统设计与实现
5.1 系统架构
5.1.1 展示层
5.1.2 业务层
5.1.3 数据层
5.1.4 数字孪生层
5.1.5 系统时序流程
5.2 系统关键模块设计与实现
5.2.1 数据及配置文件设计
5.2.2 孪生可视化模块设计与实现
5.2.3 数字孪生层设计与实现
5.3 本章小结
第六章 系统测试与分析
6.1 测试环境介绍
6.2 测试数据介绍
6.3 功能测试
6.3.1 主界面
6.3.2 编辑网络
6.3.3 配置安全策略
6.3.4 运行数字孪生
6.4 安全分析
6.4.1 添加恶意流量
6.4.2 风险发现
6.4.3 更新安全策略
6.4.4 验证安全策略
6.5 本章小结
第七章 全文总结与展望
7.1 全文总结
7.2 后续工作展望
致谢
参考文献