陳萬志，李東哲

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)(*通信作者電子郵箱775693539@qq.com)

0　引言

工業(yè)控制系統(tǒng)(Industrial Control System, ICS)在設計之初普遍采用專有的通信設備、操作系統(tǒng)和硬件設備，獨立于其他網(wǎng)絡，且大多數(shù)ICS采用專有的通信協(xié)議[1]，但隨著ICS不斷引入TCP/IP協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等網(wǎng)絡化技術，工控設備與管理信息網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)深度融合互連的同時，也帶來了系統(tǒng)的安全威脅。傳統(tǒng)的入侵檢測技術等安全技術雖然比較成熟，卻不能直接應用于ICS，因此，若要提高ICS的通信異常檢出率，則需要依據(jù)不同的協(xié)議特點建立不同的入侵檢測系統(tǒng)。

入侵檢測主要分為誤用檢測和異常檢測兩大類，其中:誤用檢測是通過與已知的異常行為間的匹配程度來實現(xiàn)入侵檢測，也稱為基于先驗知識的入侵檢測，包括基于統(tǒng)計的方法、基于知識的方法和基于機器學習的方法；而異常檢測是通過建立正常行為模型來尋找偏離的異常行為，故也被稱為基于行為的入侵檢測，包括基于專家系統(tǒng)的誤用檢測、基于模型的誤用檢測等[2]。

目前，研究者們提出了不少針對ICS的入侵檢測方法。尚文利等[2]提出了一種基于PSO-SVM的Modbus TCP通信異常檢測方法，該方法在數(shù)據(jù)預處理的過程中將樣本分為“異常”“無標識”兩類，方法的準確率受到了工業(yè)控制系統(tǒng)“異?！睌?shù)據(jù)難以獲得的限制。張云貴等[3]提出了一種基于非參數(shù)CUSUM(CUmulative SUM)算法的入侵檢測模型，利用控制模型中預測輸出與實際傳感器信號輸出的差值進行檢測。該方法是在對工業(yè)控制系統(tǒng)生產(chǎn)工藝熟悉的基礎上構建的，若改變生產(chǎn)環(huán)境,方法就可能產(chǎn)生較大誤差。Mutha等[4]對SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)協(xié)議分析建立了白名單規(guī)則，分析過程使用關聯(lián)規(guī)則，利用通信數(shù)據(jù)與最近系統(tǒng)日志中異常通信數(shù)據(jù)匹配相似度來判斷異常行為。此方法需針對不同應用網(wǎng)絡環(huán)境的系統(tǒng)日志進行分析，當網(wǎng)絡環(huán)境變化較大時，難以有較高的檢測率。Kwon等[5]針對智能電網(wǎng)的通信協(xié)議IEC61850建立白名單規(guī)則庫，從而檢測不符合通信規(guī)則的通信數(shù)據(jù);但該方法僅針對IEC61850協(xié)議建立規(guī)則，不適用于其他網(wǎng)絡，即規(guī)則庫外的特征行為無法檢測，當網(wǎng)絡中出現(xiàn)未知類型攻擊時可能難以識別。

根據(jù)上述文獻可知，采用白名單技術的異常檢測能夠有效地檢測出規(guī)則庫中的通信異常行為，規(guī)則庫內(nèi)的規(guī)則具有簡明直觀的優(yōu)點，可以是離散特征，也可以是連續(xù)特征；但白名單方法只能檢測規(guī)則庫中規(guī)定的異常行為，當攻擊特征發(fā)生變化時，系統(tǒng)則無法辨識[5]。ICS對實時性的要求，導致ICS網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)海量且以正常數(shù)據(jù)為主體，單一的無監(jiān)督深度算法檢測可以解決樣本不完備情況下的檢測，但是在出現(xiàn)非訓練樣本中的異常數(shù)據(jù)時，則需要將數(shù)據(jù)放入樣本中重新訓練，且訓練過程對樣本數(shù)據(jù)的要求很高，通常需要將連續(xù)特征離散化，難以適應ICS對穩(wěn)定性、實時性的要求。因此本文在白名單檢測基礎上將自適應變異粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization with Adaptive Mutation, AMPSO)算法與BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡相結合，提出一種新的入侵檢測算法AMPSO-BP，白名單可以設置連續(xù)特征的特征范圍和常見特征，神經(jīng)網(wǎng)絡則用于檢測特征不完備或多特征異常情況。本文方法簡化了BP算法的訓練過程，提升了BP算法效率，同時解決了PSO算法容易過早陷入局部最優(yōu)的問題，通過對樣本數(shù)據(jù)庫進行無監(jiān)督學習，持續(xù)主動地更新白名單規(guī)則庫，實現(xiàn)通信異常的識別，降低系統(tǒng)學習頻率。

1　AMPSO-BP入侵檢測算法

1.1　粒子群優(yōu)化算法改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，用于學習輸入與輸出之間的映射關系，是神經(jīng)網(wǎng)絡算法中的經(jīng)典算法，在參數(shù)調(diào)整的部分，BP算法基于梯度下降的策略確定最佳的權值和閾值。為了提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂速度，減小初值不同對訓練結果的影響，利用粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法對BP算法的參數(shù)調(diào)整過程進行優(yōu)化，改進了梯度下降算法中求微積分和求導的過程[6-9]，避免BP算法陷入過擬合狀態(tài)。其中PSO算法的速度、位置更新公式如下：

(1)

xl(n+1)=xl(n)+vl(n+1);l=1,2,…,m

(2)

慣性權重w一般取值在0.1～0.9，如果w隨著算法迭代的進行而線性減小，將顯著改善算法收斂性能。設wmax為最大權重，wmin為最小權重，run為當前迭代次數(shù)，runmax為算法迭代總次數(shù)，則有w的計算公式[10-11]如下：

(3)

1.2　AMPSO算法

PSO算法一般采用實數(shù)編碼，由于沒有選擇、交叉、變異等操作，算法結構相對簡單，因此運算速度很快，但在尋優(yōu)過程中很容易陷入局部最優(yōu)值，即當粒子群適應度方差趨近于零時，粒子群中的粒子會聚集在一個或幾個特定位置[10]。其中，粒子群適應度方差根據(jù)式(4)計算，因此，適應度不能作為尋優(yōu)的唯一參數(shù)，本文參考文獻[10]，在PSO尋優(yōu)的過程中加入自適應變異過程[11-15]。

設粒子群的粒子數(shù)為N，fi為第i個粒子的適應度，favg為粒子群目前的平均適應度，δ2為粒子群的群體適應度方差。δ2計算公式如下：

(4)

其中：f是歸一化定標因子，作用是限制δ2的大小。f隨算法的變化而變化，本文利用式(5)進行計算：

(5)

在算法運行過程中，如果δ2=0，此時得到的并非全局最優(yōu)解，則說明粒子陷入了局部最優(yōu)，算法過早收斂，此時找到的全局最優(yōu)解gbest是目前找到的最優(yōu)解，因此，此時的gbest需要通過變異操作跳出此刻局部區(qū)域，尋找新的個體極值pbest，進而確定全局最優(yōu)解gbest。本文的自適應變異粒子群優(yōu)化(AMPSO)算法將gbest按照一定概率pm變異。pm的計算公式如下：

(6)

(7)

1.3　AMPSO-BP算法

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，ICS的通信數(shù)據(jù)特征往往與生產(chǎn)環(huán)境和實際生產(chǎn)中的操作相關聯(lián)，因此要依據(jù)具體的生產(chǎn)環(huán)境進行特征提取，并將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入神經(jīng)元。AMPSO-BP算法[10]的具體流步驟如下。

1)針對特定的網(wǎng)絡樣本數(shù)據(jù)提取特征值，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入值。

2)初始化BP網(wǎng)絡，確定網(wǎng)絡各層的神經(jīng)元個數(shù)。

3)初始化粒子群規(guī)模、每個粒子的速度v、位置x、個體極值pbest、全局最優(yōu)值gbest、慣性因子w、學習因子c1和c2，設置PSO算法最大迭代次數(shù)。

設置位置和速度的限定范圍[xmin,xmax]和[vmin,vmax]，且限定在[0,1]，不允許迭代所得數(shù)據(jù)超出限定范圍。

粒子的位置、速度向量的維數(shù)D為輸入層到隱含層連接權值、隱含層到輸出層的鏈接權值、隱含層的閾值及輸出層的閾值個數(shù)的總和。

4)先向BP神經(jīng)網(wǎng)絡輸入一個粒子，按照BP神經(jīng)網(wǎng)絡中前向計算方法計算其輸出值，依據(jù)式(8)計算誤差，依據(jù)式(9)計算適應度，然后依次輸入其他粒子，直至算出所有粒子的適應度。計算粒子適應度函數(shù)應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡的均方誤差函數(shù)[7]：

(8)

(9)

其中：f(p,i)為第i個粒子的適應度值;N為訓練集樣本數(shù);oi, j第i個粒子第j個樣本輸出實際值；yi, j為第i個粒子第j個樣本輸出的理想值。

5)通過比較粒子的適應度，確定粒子個體的個體極值點和全局最優(yōu)極值點，Ppresent為當前粒子適應度，Pbest為pbest粒子適應度，Gbest為gbest粒子適應度：

若Ppresent

若Ppresent

6)根據(jù)式(1)～(3)更新個粒子的速度、位置，對于超過限定范圍的值定義為最大值。

7)根據(jù)式(4)～(5)得到適應度方差參量δ2。

8)根據(jù)式(6)得到一個變異因子pm。

9)選擇一個隨機數(shù)r∈[0,1]，判斷r

10)若已經(jīng)達到設置的最大迭代次數(shù)，或當前精度值以達到預設精度，則視當前點為最佳位置，將最佳位置中每一維向量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡權值和閾值，否則執(zhí)行步驟4)。

2　工業(yè)控制網(wǎng)絡的入侵檢測

2.1　入侵檢測系統(tǒng)架構

工業(yè)控制系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)大多是實時傳輸?shù)?，在海量的通信?shù)據(jù)中異常通信數(shù)據(jù)情況較為單一、樣本數(shù)較少且種類也并不豐富，工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)常常受到生產(chǎn)具體項目的限制，具有周期性、季節(jié)性等特點，但其獨特的行業(yè)特征對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高[16-19]。

近年來，工業(yè)控制系統(tǒng)為了便于企業(yè)管理，將上層管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制網(wǎng)絡互連互通，用戶通過企業(yè)管理信息網(wǎng)中的相關應用程序監(jiān)控工業(yè)控制網(wǎng)中的工業(yè)設備的運行參數(shù)、獲取服務器上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

因此，依據(jù)其特點采用如圖1所示的體系結構構建異常檢測模型，在管理信息網(wǎng)絡中用戶客戶端與Web服務器間加入白名單過濾和AMPSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡的深度學習檢測環(huán)節(jié)，提升跨網(wǎng)異常通信的檢測率。

圖1系統(tǒng)模型架構

Fig. 1Architecture of system model

2.2　結合白名單與AMPSO-BP的入侵檢測方法

2.2.1白名單過濾

白名單過濾是管理信息網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡通信鏈路上的第一次檢測，其規(guī)則根據(jù)工業(yè)控制網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)特征以及實際生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)特征來建立，包括通信協(xié)議中規(guī)定的接口標識符、源IP地址、目的IP地址、登錄客戶端的用戶名、域名、主機名等特征信息。依據(jù)每個特征建立一條R={R1,R2,…,Rn}形式的規(guī)則集合。

檢測過程中預設兩種動作：Pass和Alert，Action[0]為Pass，Action[1]為Alert。Pass意為數(shù)據(jù)安全，可以繼續(xù)通信；Alert意為數(shù)據(jù)不符合白名單規(guī)則，通信需終止，停止傳送數(shù)據(jù)。通信過程中，首先對通信數(shù)據(jù)包進行解析，找到數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣餍畔ⅲ⑴c白名單中規(guī)則進行匹配，如有其中一條不匹配則發(fā)出警報，動作為Action[1]。

利用網(wǎng)絡通信基本特征構造的白名單規(guī)則庫，由系統(tǒng)管理員在工業(yè)控制網(wǎng)絡服務器入口進行編輯實現(xiàn)控制，當動作狀態(tài)是Action[1]時，則系統(tǒng)為警告狀態(tài)，中止數(shù)據(jù)通信，需具有增加或刪除白名單規(guī)則權限的管理員人工解除入侵檢測警告，因此，跨網(wǎng)訪問首先要經(jīng)過白名單規(guī)則判定，用戶的通信數(shù)據(jù)只能通過白名單后才能進入神經(jīng)網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)，進而訪問工業(yè)控制網(wǎng)絡。

2.2.2白名單-AMPSO-BP檢測流程

在離線條件下采用本文提出的AMPSO-BP方法進行神經(jīng)網(wǎng)絡訓練，對神經(jīng)網(wǎng)絡進行無監(jiān)督訓練學習，得到輸出層結果作為在線工作的第二次檢測過濾器，進而預測通信數(shù)據(jù)是否行為異常。

神經(jīng)網(wǎng)絡訓練利用日志等歷史數(shù)據(jù)，提取樣本數(shù)據(jù)特征值，并將特征值規(guī)范化，作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，其中：連續(xù)訓練數(shù)據(jù)需根據(jù)式(10)離散化，離散數(shù)據(jù)需編碼，范圍為[0,1]。Xi是一個特征實例，X代表特征類型集。

X′=[Xi-min(X)]/[max(X)-min(X)]

(10)

在建立通信過程中，用戶通過客戶端登錄系統(tǒng)并向Web服務器發(fā)送通信請求，異常檢測系統(tǒng)根據(jù)白名單規(guī)則中特征信息解析數(shù)據(jù)包，不符合白名單規(guī)則的通信視為危險信息，并向管理員發(fā)出警報；否則通過AMPSO-BP過濾器第二次檢測。管理員可根據(jù)檢測出的異常通信特征完善白名單規(guī)則，或者解除突發(fā)事件產(chǎn)生的警報；也可以根據(jù)具體生產(chǎn)環(huán)境和季節(jié)差異制定白名單規(guī)則。經(jīng)過異常檢測系統(tǒng)后判定為正常信息，則完成數(shù)據(jù)通信，其工作流程如圖2所示。

根據(jù)本文系統(tǒng)的工作流程可知本文結合白名單和神經(jīng)網(wǎng)絡的異常檢測方法有以下優(yōu)勢：管理員可以在白名單中設置連續(xù)性特征的安全域，無需先將特征離散化，例如數(shù)據(jù)包長度；管理員可以根據(jù)IP等數(shù)據(jù)特征以及辦公系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中該員工是否出差等其他信息，判斷跨網(wǎng)通信是否為公司職員操作，提升遠程到本地的非授權訪問攻擊(Remote-to-Login, R2L)攻擊類型檢測率；系統(tǒng)可以根據(jù)AMPSO-BP判定結果更新白名單規(guī)則庫。

3　測試與結果分析

3.1　算法有效性驗證

3.1.1實驗數(shù)據(jù)

企業(yè)管理網(wǎng)與工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡互聯(lián)是建立在TCP(Transmission Control Protocol)、UDP(User Datagram Protocol)、ICMP(Internet Control Message Protocol)等協(xié)議之上的接口標準，其數(shù)據(jù)特征包含網(wǎng)絡數(shù)據(jù)特征，因此，算法有效性驗證部分的測試集選用入侵檢測領域廣泛采用的KDD CUP99實驗數(shù)據(jù)集作為訓練和測試樣本，其中包含拒絕服務攻擊(Denial of Service, DoS)、R2L、非授權獲取超級用戶權限攻擊(User-to-Root, U2R)、探測攻擊(Probe)四大類入侵行為，訓練數(shù)據(jù)集包含22種入侵類型，測試數(shù)據(jù)集包含37種入侵類型。在保證所含的入侵行為種類不變的前提下，從中抽取部分數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖2　入侵檢測流程Fig. 2　Flow chart of intrusion detection

表1　實驗數(shù)據(jù)信息Tab. 1　Experimental dataset information

3.1.2實驗環(huán)境和參數(shù)設置

測試實驗硬件環(huán)境為Intel core i5 2.60 GHz，內(nèi)存8 GB，操作系統(tǒng)為Windows 7旗艦版，軟件環(huán)境為Matlab a2014。

首先，在數(shù)據(jù)集中依據(jù)ICS網(wǎng)絡通信的特點提取目的IP、源IP、MAC、客戶端用戶登錄名、數(shù)據(jù)包大小、域名、主機名等7個特征構造白名單規(guī)則庫。其次，構造5層BP神經(jīng)網(wǎng)絡，隱層設置為3層；從數(shù)據(jù)的41個屬性參數(shù)中選取10個屬性參數(shù)，并將這10個屬性參數(shù)歸一化，將歸一化的數(shù)據(jù)作為輸入(Input)層節(jié)點，具體的參數(shù)選取在圖3的Input層給出；輸出(Output)層6個節(jié)點分別為Normal正常數(shù)據(jù)、DoS攻擊、U2R攻擊、R2U攻擊、Probe攻擊和Unknow未知類型異常攻擊；隱層(Hidden)節(jié)點數(shù)設置為30個。神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖3所示。

圖3　神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲Fig. 3　Neural network topology

3.1.3實驗結果與分析

實驗采用的評價指標為檢測率和誤報率。其中：檢測率為正確檢測異常通信樣本的數(shù)量與測試集中異常樣本總數(shù)量的比值；誤報率為錯判為異常的正常樣本數(shù)量與測試集中正常樣本數(shù)量的比值。

實驗中PSO算法加速部分迭代最大次數(shù)設置為100，每次迭代過程中記錄其粒子適應度方差δ2，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，PSO-BP算法的方差在迭代20次陷入最小值，而AMPSO-BP算法迭代82次尋到最優(yōu)解，跳出了局部最優(yōu)陷阱。這兩種神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練誤差如圖5所示，可以看出：AMPSO-BP算法訓練21次誤差達到最小值，為0.089 13；而PSO-BP算法訓練37次達到最小值，為0.037 59。因此本文提出的AMPSO-BP算法減小了PSO算法陷入局部最優(yōu)的幾率，提升了神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的速度和精度。

圖4　適應度方差曲線比較Fig. 4　Comparison of fitness variance curves

利用不同類型的異常數(shù)據(jù)對白名單系統(tǒng)、白名單-PSO-BP系統(tǒng)和本文的白名單-AMPSO-BP系統(tǒng)進行測試，準確率結果如圖6所示。可以看出，白名單可以有效地檢測連續(xù)型特征和特征值固定的離散特征，但是通信數(shù)據(jù)中包含的特征包括連續(xù)型和離散型兩種特征，因此準確率不高；而加入神經(jīng)網(wǎng)絡后針對已知類型檢測準確率都達到了80%，在白名單的基礎上加入AMPSO-BP算法，對不同類別異常通信檢測率均有提高，尤其是對未知類型異常的檢測。

圖5　訓練誤差比較Fig. 5　Comparison of training error

圖6　三種系統(tǒng)檢測率比較Fig. 6　Comparison of detection rates for three methods

由于本文的本文的白名單-AMPSO-BP方法與文獻[20]方法都是針對ICS網(wǎng)絡設計的，因此將白名單-AMPSO-BP方法與文獻[20]的改進K-means算法在相同的訓練和測試樣本集上進行比對實驗，結果如表2所示。其中：本文的白名單-AMPSO-BP方法對異常通信的檢測率略高于文獻[20]方法，誤報率基本相同。

表2　兩種方法的檢測率和誤報率比較　%Tab. 2　Comparison of detection rate and false positive rate of two methods　%

由于ICS實際網(wǎng)絡通信具有實時數(shù)據(jù)量大且異常樣本所占比重相對較小的特點，為進一步驗證訓練樣本數(shù)對本文白名單-AMPSO-BP方法的影響，依據(jù)上述各類訓練樣本按一定比例減少樣本數(shù)進行了測試實驗，檢測率和誤報率結果如圖7所示。在圖7的訓練過程中，控制每組訓練樣本個數(shù)占總樣本的百分比在60%～100%。訓練在樣本數(shù)逐漸增加情況下，本文的白名單-AMPSO-BP方法、文獻[20]的方法、白名單-PSO-BP方法的檢測率都有所提升。在訓練樣本數(shù)占總樣本數(shù)的60%、70%時，文獻[20]提出的改進的K-means算法準確率略高于本文方法，訓練樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比率增加至90%、100%時，本文方法略高于文獻[20]方法；訓練樣本占樣本總數(shù)的60%、70%、80%時，本文方法所產(chǎn)生的誤報率均高于文獻[20]方法，而當訓練樣本占總數(shù)的90%，甚至增加至100%時，文獻[20]方法的誤報率高于本文方法。說明隨著樣本數(shù)量的增長，本文方法的準確率上升更明顯，且當樣本數(shù)量高于80%后，本文方法的準確率高于文獻[20]方法，當樣本數(shù)量高于90%后，誤報率低于文獻[20]方法，因此，在樣本充足的條件下，本文方法是具有優(yōu)勢的。

圖7　訓練樣本數(shù)對異常通信檢測的影響Fig. 7　Influence of number of training samples on detection for abnormal communication

此外在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，算法訓練的次數(shù)對算法的檢測準確率也存在影響。由于本文方法與文獻[20]的方法都是無監(jiān)督學習的方式，因此將二者在不同的訓練學習次數(shù)情況下的檢測率進行比對，結果如圖8所示。與白名單-PSO-BP方法和文獻[20]的方法相比，本文方法在訓練次數(shù)和精確程度上均有比較明顯的優(yōu)勢，本文方法在訓練22次時檢測率開始穩(wěn)定，檢測率為87.31%；另外兩種方法的檢測率分別在訓練次數(shù)為36和37時達到穩(wěn)定狀態(tài)，其中文獻[20]方法準確率達84.24%，略低于本文方法。

圖8　三種算法檢測率比較Fig. 8　Comparison of detection rate for three algorithms

3.2　工業(yè)控制仿真測試

3.2.1實驗數(shù)據(jù)獲取

OPC(Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control)協(xié)議是工業(yè)網(wǎng)絡中一種常用協(xié)議，為了驗證本文方法在工業(yè)控制領域的適用性，搭建了OPC協(xié)議實驗仿真環(huán)境，網(wǎng)絡拓撲結構如圖9所示。仿真環(huán)境中OPC客戶端和模擬攻擊源計算機均采用Intel core i5 2.60 GHz處理器，內(nèi)存8 GB，Windows 7操作系統(tǒng)；參照文獻[21]的方法，利用在WinCC上啟用WinCC OPC DA作為OPC服務器，WinCC OPC服務器IP設置為192.168.0.12，在Visual Studio編程環(huán)境中編寫WinCC OPC服務器與OPC客戶端之間通信數(shù)據(jù)監(jiān)控程序，服務器所用PC處理器采用Intel Core i5 2.60 GHz，內(nèi)存8 GB，Windows 7操作系統(tǒng)。現(xiàn)場控制器PLC(Programmable Logic Controller)模擬液體容器中的液位控制，其中，液位的數(shù)值和開關狀態(tài)均在PLC中模擬實現(xiàn)，PLC產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)存儲于WinCC自帶的SQL數(shù)據(jù)庫。

模擬攻擊源利用Matlab a2014模擬對PLC發(fā)送惡意流量。建立通信過程中，WinCC實時監(jiān)控通信數(shù)據(jù)，并保留通信過程中的網(wǎng)絡基本參量：協(xié)議類型、目的地址、SQL嘗試登錄失敗的次數(shù)、讀取的變量名稱、通信數(shù)據(jù)大小、連接持續(xù)時間、通信狀態(tài)標志。

在所搭建的工業(yè)控制仿真系統(tǒng)實驗環(huán)境下獲取數(shù)據(jù)152條，其中正常數(shù)據(jù)為89條，異常數(shù)據(jù)為63條，部分數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2.2實驗參數(shù)設置及數(shù)據(jù)分析

在工業(yè)控制仿真系統(tǒng)實驗環(huán)境提取的7組特征中，選取協(xié)議類型、SQL嘗試登錄失敗的次數(shù)、連接持續(xù)時間和通信數(shù)據(jù)大小4組特征參數(shù)構造白名單規(guī)則庫。構造5層BP神經(jīng)網(wǎng)絡，隱層設置為3層：將7組特征屬性參數(shù)歸一化，而后作為輸入層節(jié)點的輸入，輸出層2個節(jié)點分別輸出Normal正常數(shù)據(jù)、通信異常數(shù)據(jù)，隱層節(jié)點數(shù)設置為21個。PSO算法與AMPSO算法的初始化學習因子c1、c2的取值均為0.5，其他參數(shù)均則3.1節(jié)實驗設置相同。

圖9　工業(yè)控制系統(tǒng)仿真環(huán)境Fig. 9　Simulation environment of industrial control system

將在仿真系統(tǒng)實驗環(huán)境中采集的152條數(shù)據(jù)中的102條作為訓練集，包含58條正常通信數(shù)據(jù)和44條異常通信數(shù)據(jù)；另外50條作為測試集，包含31條正常通信數(shù)據(jù)和19條異常通信數(shù)據(jù)。

實驗過程中，為描述系統(tǒng)穩(wěn)定性，建立訓練誤差曲線，如圖10所示：本文方法在訓練16次時達到穩(wěn)定狀態(tài)，白名單-PSO-BP訓練18次時進入穩(wěn)定狀態(tài)，文獻[20]方法在迭代16次時達到了系統(tǒng)穩(wěn)定。由于訓練樣本數(shù)據(jù)較少，系統(tǒng)穩(wěn)定時三種方法的訓練誤差都達到了0%。

系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后測試對比了三種方法檢測率。在同一實驗條件下比較：本文方法檢測出異常通信15條，誤報異常通信2條；文獻[20]方法檢測出異常通信14條，誤報異常通信1條；白名單-PSO-BP方法檢測出異常通信14條，誤報異常通信3條。三種方法的檢測率和誤報率如表4所示?？梢钥闯?，在工業(yè)控制系統(tǒng)仿真環(huán)境下，本文方法檢測率高于白名單-PSO-BP方法，誤報率低于白名單-PSO-BP方法，具有明顯優(yōu)勢；訓練樣本較少的情況下，本文方法的檢測率高于文獻[20]方法，但也由于樣本集中數(shù)據(jù)偏少，造成誤報率會高于文獻[20]方法。

表3　部分采集數(shù)據(jù)Tab. 3　Partial collection data

圖10　訓練誤差比較Fig. 10　Comparison of training error

表4　三種方法的檢測率、誤報率比較 %Tab. 4　Comparison of detection rate and false positive rate of three methods　%

4　結語

針對ICS網(wǎng)絡環(huán)境下的入侵檢測問題，本文提出了一種將白名單和AMPSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡過濾有機融合的通信異常檢測方法——白名單-AMPSO-BP，利用神經(jīng)網(wǎng)絡有效地識別異常數(shù)據(jù)，完善白名單規(guī)則庫。利用KDD CUP99數(shù)據(jù)驗證了白名單-AMPSO-BP方法的有效性，并分別與白名單-PSO-BP方法和文獻[20]的方法進行了對比，結果顯示:本文方法的檢測率和誤報率均優(yōu)于白名單-PSO-BP方法；當訓練樣本充足時，本文方法相比文獻[20]的方法也更具優(yōu)勢。此外，本文還利用一組在工業(yè)控制系統(tǒng)仿真環(huán)境下獲得的數(shù)據(jù)進行了實驗對照，驗證了本文方法在工業(yè)控制網(wǎng)絡中的有效性，其檢測率高于白名單-PSO-BP方法和文獻[20]的方法，誤報率低于白名單-PSO-BP方法，但由于樣本集中數(shù)據(jù)較少，其誤報率高于文獻[20]的方法。下一步研究將在實際ICS網(wǎng)絡場景中對所提方法進行測試，重點完善其在缺少樣本條件下的穩(wěn)定性和檢測的時效性。

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