Giải Pháp Bảo Vệ Hiệu Quả Cho Hệ Thống Điều Khiển Trong Công Nghiệp - Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện đề xuất giải pháp bảo vệ hiệu quả cho hệ thống điều khiển công nghiệp, nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành.

• Tác giả: Đỗ Minh Hải
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giải pháp bảo vệ cho hệ thống điều khiển trong công nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ của Luận Văn
• 2. CHƯƠNG 2: AN NINH MẠNG TRONG HỆ THỐNG MẠNG CÔNG NGHIỆP
• 2.1. An toàn hệ thống thông tin là gì?
• 2.2. Mục đích của các cuộc tấn công mạng
• 2.3. Những lỗ hổng trong bảo mật hệ thống mạng điều khiển
• 2.3.1. Dial-up truy cập đến các thiết bị RTU
• 2.3.2. Việc truy cập của nhà cung cấp thiết bị
• 2.3.3. IT kiểm soát thiết bị truyền thông
• 2.3.4. VPN của công ty
• 2.3.5. Liên kết cơ sở dữ liệu
• 2.3.6. Liên kết điểm – điểm
• 2.4. Tin tặc làm gì khi lấy được quyền truy cập vào hệ thống mạng điều khiển?
• 2.4.1. Kiểm soát quá trình
• 2.4.2. Trích xuất màn hình HMI
• 2.4.3. Thay đổi cơ sở dữ liệu
• 2.4.4. Tấn công trung gian
• 2.4.5. Sự kiện tai nạn/đột biến
• 2.5. Thực trạng an ninh mạng hiện nay
• 2.6. Vulnerabilities, Exploits và “Zero Days”
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP
• 3.1. Phân tích mô hình mạng điều khiển công nghiệp
• 3.2. Giải pháp khắc phục
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG TƯỜNG LỬA
• 4.1. Định hướng thiết kế
• 4.1.1. Cấu trúc phần cứng
• 4.1.2. Cấu trúc phần mềm
• 4.1.3. Giải pháp được chọn như sau
• 4.2. Xây dựng tường lửa
• 4.2.1. Sơ đồ giải thuật xử lý gói tin
• 4.2.2. Quá trình biên dịch kernel linux cho Raspian Jessie
• 4.2.3. Cấu hình cho 2 cổng Ethernet trên RPi hoạt động ở chế độ bridge-mode
• 4.2.4. Biên dịch và cài đặt Suricata cho RPi
• 4.2.5. Cấu hình cho Suricata và iptables
• 5. CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT
• 5.1. Giả định mạng điều khiển bị tấn công
• 5.2. Lắp đặt tường lửa vào mạng điều khiển
• 5.3. Hướng phát triển đề tài
• PHỤ LỤC
• PLC siemens simatic s7 – 1200
• Khối hàm, bộ định thì, bộ đếm cho PLC S7-1200
• Vùng nhớ, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC S7 1200
• Ngôn ngữ lập trình PLC S7 1200
• Khái niệm về các loại tường lửa
• Tổng quan về Suricata
• Giới thiệu về Suricata
• Các chức năng chính của Suricata
• Kiến trúc của Suricata
• Luật trong Suricata
• Tổng quan Iptables
• Cơ chế xử lý gói tin trong iptables
• Giao thức PROFINET
• Giao thức Ethernet
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• Danh mục bảng
• Danh mục hình

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn Giải Pháp Bảo Vệ Hệ Thống Điều Khiển Công Nghiệp tập trung vào việc phân tích và đề xuất các giải pháp bảo vệ hệ thống điều khiển công nghiệp trước các mối đe dọa an ninh mạng. Hệ thống điều khiển công nghiệp, bao gồm các thiết bị như PLC, cảm biến, và cơ cấu chấp hành, đóng vai trò quan trọng trong quá trình giám sát và điều khiển tự động. Tuy nhiên, với sự kết nối ngày càng phổ biến giữa mạng điều khiển công nghiệp và mạng doanh nghiệp, các lỗ hổng bảo mật trở nên nghiêm trọng hơn. Luận văn nhấn mạnh sự cần thiết của việc xây dựng tường lửa chuyên dụng để bảo vệ hệ thống điều khiển, đặc biệt là các PLC, trước các cuộc tấn công mạng.

1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống điều khiển công nghiệp ban đầu được thiết kế để hoạt động độc lập, không kết nối với mạng Internet. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, việc kết nối giữa mạng điều khiển và mạng doanh nghiệp đã tạo ra nhiều lỗ hổng bảo mật. Các cuộc tấn công như Stuxnet đã chứng minh rằng hệ thống điều khiển công nghiệp có thể bị xâm nhập và điều khiển từ xa. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các giải pháp bảo vệ hiệu quả, đặc biệt là tường lửa chuyên dụng có khả năng phân tích gói tin ở lớp ứng dụng.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển một tường lửa chuyên dụng cho PLC, có khả năng phân tích gói tin ở lớp ứng dụng và ngăn chặn các lệnh ghi trái phép vào PLC. Tường lửa này được thiết kế để hỗ trợ các giao thức phổ biến như Modbus TCP, DNP3, và PROFINET, với trọng tâm là giao thức S7/PROFINET.

1.3 Nhiệm vụ của Luận Văn

Luận văn đặt ra các nhiệm vụ cụ thể bao gồm: phân tích các lỗ hổng bảo mật trong hệ thống mạng công nghiệp, xây dựng và triển khai mô hình tường lửa trong hệ thống điều khiển công nghiệp, và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai.

II. An ninh mạng trong hệ thống mạng công nghiệp

Chương này tập trung vào việc phân tích các mối đe dọa an ninh mạng trong hệ thống điều khiển công nghiệp. Các cuộc tấn công mạng nhằm mục đích phá vỡ quy trình sản xuất, gây thiệt hại thiết bị, hoặc vô hiệu hóa hệ thống an toàn. Các lỗ hổng bảo mật thường xuất phát từ việc kết nối không an toàn giữa mạng điều khiển và mạng doanh nghiệp, cũng như từ các thiết bị hỗ trợ kỹ thuật từ xa.

2.1 An toàn hệ thống thông tin

An toàn hệ thống thông tin đòi hỏi đảm bảo ba yếu tố chính: tính bí mật, tính toàn vẹn, và tính sẵn sàng. Các cuộc tấn công mạng thường nhắm vào việc phá vỡ một hoặc nhiều yếu tố này, gây ra hậu quả nghiêm trọng cho hệ thống điều khiển công nghiệp.

2.2 Mục đích của các cuộc tấn công mạng

Các cuộc tấn công mạng nhằm mục đích phá vỡ quy trình sản xuất, gây thiệt hại thiết bị, hoặc vô hiệu hóa hệ thống an toàn. Các cuộc tấn công này thường xuất phát từ mạng doanh nghiệp hoặc Internet, và có thể thông qua các kết nối không an toàn từ bên thứ ba.

2.3 Những lỗ hổng trong bảo mật hệ thống mạng điều khiển

Các lỗ hổng bảo mật thường xuất hiện do kết nối không an toàn giữa mạng điều khiển và mạng doanh nghiệp, cũng như từ các thiết bị hỗ trợ kỹ thuật từ xa. Các phương pháp tấn công phổ biến bao gồm kết nối quay số trực tiếp đến thiết bị RTU, truy cập từ xa thông qua VPN, và các lỗ hổng trong cấu hình tường lửa.

III. Phân tích tính bảo mật trong hệ thống điều khiển công nghiệp

Chương này đi sâu vào việc phân tích các mô hình mạng điều khiển công nghiệp và đề xuất các giải pháp khắc phục lỗ hổng bảo mật. Các giải pháp bao gồm việc xây dựng tường lửa chuyên dụng có khả năng phân tích gói tin ở lớp ứng dụng và ngăn chặn các lệnh ghi trái phép vào PLC.

3.1 Phân tích mô hình mạng điều khiển công nghiệp

Mô hình mạng điều khiển công nghiệp thường bao gồm các thiết bị như PLC, cảm biến, và cơ cấu chấp hành, được kết nối với mạng doanh nghiệp thông qua Ethernet. Sự kết nối này tạo ra nhiều lỗ hổng bảo mật, đặc biệt là khi các thiết bị không được bảo vệ bởi tường lửa chuyên dụng.

3.2 Giải pháp khắc phục

Giải pháp chính được đề xuất là xây dựng tường lửa chuyên dụng cho PLC, có khả năng phân tích gói tin ở lớp ứng dụng và ngăn chặn các lệnh ghi trái phép. Tường lửa này được thiết kế để hỗ trợ các giao thức phổ biến như Modbus TCP, DNP3, và PROFINET.

IV. Xây dựng tường lửa

Chương này trình bày chi tiết quá trình xây dựng và triển khai tường lửa chuyên dụng cho hệ thống điều khiển công nghiệp. Tường lửa được thiết kế để phân tích gói tin ở lớp ứng dụng và ngăn chặn các lệnh ghi trái phép vào PLC. Quá trình xây dựng bao gồm việc cấu hình phần cứng, phần mềm, và triển khai mô hình thực tế.

4.1 Định hướng thiết kế

Tường lửa được thiết kế với cấu trúc phần cứng và phần mềm phù hợp để phân tích gói tin ở lớp ứng dụng. Cấu trúc phần cứng bao gồm các thiết bị như Raspberry Pi, trong khi phần mềm được xây dựng dựa trên Suricata và iptables.

4.2 Xây dựng tường lửa

Quá trình xây dựng tường lửa bao gồm việc cấu hình phần cứng, biên dịch kernel Linux, và cài đặt Suricata. Tường lửa được cấu hình để hoạt động ở chế độ bridge-mode, cho phép phân tích gói tin một cách hiệu quả.

V. Tổng kết

Luận văn kết luận rằng việc xây dựng tường lửa chuyên dụng là giải pháp hiệu quả để bảo vệ hệ thống điều khiển công nghiệp trước các mối đe dọa an ninh mạng. Tường lửa này không chỉ ngăn chặn các lệnh ghi trái phép vào PLC mà còn hỗ trợ các giao thức phổ biến như Modbus TCP, DNP3, và PROFINET. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng hỗ trợ cho các giao thức khác.

5.1 Giả định mạng điều khiển bị tấn công

Luận văn đưa ra các giả định về việc mạng điều khiển bị tấn công và cách thức tường lửa chuyên dụng có thể ngăn chặn các cuộc tấn công này. Tường lửa được thiết kế để phân tích gói tin ở lớp ứng dụng và ngăn chặn các lệnh ghi trái phép vào PLC.

5.2 Hướng phát triển đề tài

Luận văn đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất của tường lửa chuyên dụng và mở rộng hỗ trợ cho các giao thức khác. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp các công nghệ mới như AI và machine learning để nâng cao khả năng phát hiện và ngăn chặn các cuộc tấn công mạng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo các báo cáo an toàn thông tin công nghiệp, hơn 75% trường hợp gián đoạn hệ thống mạng bắt nguồn từ các sự kiện ngẫu nhiên, lỗi vận hành và cấu hình sai sót. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, việc tích hợp mạng điều khiển cục bộ với mạng doanh nghiệp và Internet đã tạo ra nhiều nguy cơ bảo mật nghiêm trọng. Hàng loạt sự cố an ninh mạng nổi tiếng như vụ tấn công hệ thống cấp nước Maroochy tại Úc vào tháng 3 năm 2000, sự cố sâu máy tính xâm nhập mạng SCADA nhà máy điện hạt nhân Davis-Besse tại Ohio vào tháng 8 năm 2003, hay cuộc tấn công của mã độc Stuxnet vào tháng 7 năm 2010 đã minh chứng cho sự dễ tổn thương của các bộ điều khiển logic khả trình.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi xuất phát từ thực tế rằng các giao thức truyền thông công nghiệp truyền thống vốn được thiết kế với ưu tiên hàng đầu về tính thời gian thực mà thiếu vắng các cơ chế bảo mật và xác thực mạnh. Khi tin tặc chiếm quyền điều khiển một máy tính trong mạng nội bộ thông qua mã độc hoặc kết nối VPN, hệ thống tường lửa mạng truyền thống chỉ lọc đến cổng và địa chỉ mạng sẽ hoàn toàn mất tác dụng. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một thiết bị tường lửa chuyên dụng cho hệ thống điều khiển công nghiệp, có khả năng phân tích gói tin sâu ở tầng ứng dụng truyền qua mạng Ethernet nhằm ngăn chặn triệt để các hành vi ghi hoặc nạp lại chương trình trái phép vào thiết bị điều khiển.

Nghiên cứu được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, chuyên ngành Kỹ thuật điện, với thời gian triển khai từ ngày 6 tháng 2 năm 2017 đến ngày 11 tháng 12 năm 2017. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao độ an toàn vận hành, triệt tiêu 100% các cuộc tấn công ghi đè thông số điều khiển không hợp lệ, đồng thời duy trì độ trễ xử lý gói tin ở mức micro-giây, giúp doanh nghiệp bảo vệ dây chuyền sản xuất mà không phải đầu tư các giải pháp thương mại đắt đỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên mô hình an toàn thông tin 3 yếu tố nền tảng bao gồm tính bí mật, tính toàn vẹn và tính sẵn sàng của dữ liệu. Bên cạnh đó, đề tài áp dụng mô hình phân lớp mạng điều khiển công nghiệp kết hợp mô hình tham chiếu 7 tầng OSI nhằm phân loại cơ chế hoạt động của ba thế hệ tường lửa:

• Tường lửa thế hệ 1: Lọc gói tin ở tầng mạng và tầng liên kết dữ liệu dựa vào địa chỉ IP, địa chỉ MAC và cổng kết nối.
• Tường lửa thế hệ 2: Phân tích trạng thái kết nối ở tầng giao vận nhằm kiểm tra chuỗi phiên làm việc TCP hoặc UDP.
• Tường lửa thế hệ 3: Kiểm tra sâu gói tin ở tầng ứng dụng, cho phép bóc tách cấu trúc từng byte dữ liệu để nhận diện chính xác giao thức và câu lệnh thực thi.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm kiến trúc truyền thông Ethernet công nghiệp PROFINET, giao thức tầng ứng dụng của dòng thiết bị Siemens S7, cơ chế tấn công trung gian, vùng mạng cách ly và lỗ hổng bảo mật dạng zero-day. Hệ thống điều khiển công nghiệp đòi hỏi tốc độ đáp ứng khắt khe từ vài chục micro-giây đến vài mili-giây, khiến cho các giải pháp mã hóa phức tạp khó có thể áp dụng trực tiếp tại các thiết bị cấp trường mà cần đến tường lửa chuyên dụng đặt tại tuyến trước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua việc bắt và giải mã luồng gói tin truyền thông giữa phần mềm máy trạm TIA Portal V13 và bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C bằng công cụ phân tích Wireshark. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 500 phiên truyền dữ liệu mẫu được thiết lập ngẫu nhiên và có chủ đích qua các kịch bản kiểm tra chức năng đọc thông số, ghi dữ liệu vận hành và nạp lại toàn bộ chương trình điều khiển. Phương pháp chọn mẫu theo kịch bản thực nghiệm có chủ đích được lựa chọn nhằm bao phủ toàn bộ các dạng bản tin S7/PROFINET chuẩn và các đột biến dữ liệu mô phỏng cuộc tấn công từ bên ngoài.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích sâu từng byte gói tin kết hợp hàng đợi NFQUEUE trong nhân Linux và phần mềm Suricata mã nguồn mở là nhờ khả năng can thiệp trực tiếp vào luồng dữ liệu ở tốc độ cao mà không làm thay đổi cấu trúc mạng hiện hữu. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, xây dựng cấu hình bridge-mode, biên dịch nhân hệ điều hành Raspbian Jessie và kiểm thử tập luật tường lửa được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 10 tháng tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được 4 phát hiện và kết quả kỹ thuật quan trọng trong quá trình thực nghiệm:

• Tường lửa truyền thống đạt hiệu quả 0% trong việc ngăn chặn các cuộc tấn công nội bộ khi tin tặc giả mạo địa chỉ IP hoặc MAC hợp lệ của trạm kỹ thuật SCADA.
• Thiết bị tường lửa nhúng được xây dựng trên phần cứng máy tính đơn bo với vi xử lý 700 MHz và bộ nhớ RAM 512 MB, cấu hình 2 cổng mạng Ethernet hoạt động ở chế độ cầu nối, đã phân tích thành công cấu trúc gói tin tầng ứng dụng S7/PROFINET.
• Hệ thống phát hiện và ngăn chặn chính xác 100% các lệnh ghi và nạp lại chương trình trái phép mang mã tác vụ 05h tại byte thứ 17 trong khung truyền TCP, bảo vệ an toàn cho bộ nhớ làm việc 50 kB và bộ nhớ nạp 1 MB của PLC S7-1200.
• Các lệnh đọc dữ liệu giám sát định kỳ phục vụ màn hình giao diện người máy HMI vẫn được cho phép lưu thông với tỷ lệ chính xác 100%, đồng thời cơ chế khóa bảo mật bằng mật khẩu quản trị viên chỉ mở quyền nạp chương trình khi có sự can thiệp của người có thẩm quyền.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả ngăn chặn tuyệt đối của giải pháp bắt nguồn từ việc tích hợp linh hoạt giữa cơ chế chuyển hướng gói tin iptables sang hàng đợi NFQUEUE 0 và engine phân tích đa luồng Suricata. Khi một gói tin truyền từ cổng eth0 sang eth1, Suricata sẽ bóc tách dữ liệu theo bộ luật đã định nghĩa trước. Nếu phát hiện trường dữ liệu chứa yêu cầu ghi tham số không được phép, gói tin sẽ bị hủy ngay lập tức trước khi chạm tới cổng mạng của PLC.

Dữ liệu thực nghiệm được tổng hợp trực quan qua bảng so sánh trạng thái vận hành của hệ thống trước và sau khi lắp đặt tường lửa. Trước khi lắp đặt, mọi lệnh ghi tốc độ động cơ từ máy tính kẻ tấn công đều làm thay đổi trạng thái của mạch lái cầu H L298 và động cơ băng chuyền 12V. Sau khi thiết lập tường lửa, các lệnh ghi độc hại đều bị chặn đứng, trong khi biểu đồ thời gian đáp ứng cho thấy độ trễ phát sinh chỉ dao động trong khoảng dưới 2 mili-giây, hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của chu kỳ điều khiển công nghiệp.

So với các thiết bị tường lửa thương mại chuyên dụng trên thị trường như Modbus DPI Firewall của Tofino, SCADA Firewall của Bayshore Networks hay Eagle mGuard từ Innominate với giá thành dao động từ khoảng 1.000 đến 3.000 USD mỗi thiết bị, giải pháp mã nguồn mở của đề tài có chi phí phần cứng ước tính dưới 50 USD nhưng vẫn đảm bảo tính tùy biến linh hoạt cho mọi định dạng giao thức công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị hành động thiết thực cho các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống tự động hóa:

• Triển khai lắp đặt thiết bị tường lửa kiểm tra sâu gói tin tầng ứng dụng trực tiếp trước 100% các bộ điều khiển khả trình PLC và thiết bị đầu cuối RTU trọng yếu trong nhà máy. Mục tiêu giảm 99.9% nguy cơ bị can thiệp logic điều khiển từ xa, với thời gian triển khai trong vòng 6 tháng do đội ngũ kỹ sư tự động hóa kết hợp chuyên viên IT nội bộ thực hiện.
• Thiết lập và chuẩn hóa hệ thống tập luật tường lửa cho toàn bộ các giao thức công nghiệp phổ biến khác như Modbus TCP và DNP3. Hướng tới bảo vệ đồng bộ cho hơn 50 trạm phân tán, lộ trình thực hiện trong 3 tháng do bộ phận an toàn thông tin doanh nghiệp chủ trì.
• Nâng cấp nền tảng phần cứng từ các bo mạch thử nghiệm sang các module máy tính nhúng chuẩn công nghiệp sử dụng kiến trúc ARM công suất cao, tích hợp 2 cổng mạng Gigabit độc lập và dải nhiệt độ hoạt động mở rộng từ -20°C đến 70°C. Kế hoạch đầu tư thực hiện trong 12 tháng do ban quản lý dự án kỹ thuật phụ trách.
• Xây dựng quy trình quản trị bảo mật nghiêm ngặt kết hợp xác thực đa yếu tố và nhật ký kiểm toán tự động 24/7 đối với mọi tác vụ nạp phần mềm kỹ thuật từ xa qua mạng VPN. Hoàn tất ban hành quy chế vận hành trong vòng 3 tháng do giám đốc kỹ thuật nhà máy phê duyệt và giám sát định kỳ 6 tháng một lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư điều khiển và tự động hóa: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật cụ thể để cấu hình bảo mật cho dòng PLC Siemens S7-1200, áp dụng chế độ bridge-mode để tích hợp tường lửa bảo vệ hệ thống truyền động băng chuyền mà không cần tái cấu trúc địa chỉ IP nhà máy.
• Chuyên gia an toàn thông tin và bảo mật mạng OT: Nắm bắt phương pháp kết hợp giữa iptables, NFQUEUE và Suricata để xây dựng các giải pháp giám sát an ninh mạng chuyên sâu, ngăn chặn các cuộc tấn công trung gian nhắm vào hạ tầng công nghiệp.
• Giám đốc kỹ thuật và nhà quản lý sản xuất: Tham khảo phương án tối ưu hóa chi phí đầu tư bảo mật, cân nhắc việc ứng dụng các nền tảng mã nguồn mở thay thế cho các giải pháp thương mại đắt đỏ nhằm bảo vệ an toàn sản xuất liên tục.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Công nghệ thông tin: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên ngành trong các học phần an toàn mạng công nghiệp, làm nền tảng mở rộng nghiên cứu sang các hệ thống phần cứng nhúng và giao thức IoT công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tường lửa mạng doanh nghiệp truyền thống tại sao không bảo vệ được PLC? Tường lửa truyền thống chỉ kiểm tra thông tin đến tầng mạng và tầng giao vận dựa trên IP, MAC và số hiệu cổng. Khi kẻ tấn công đã xâm nhập vào mạng nội bộ hoặc chiếm quyền điều khiển máy trạm kỹ thuật, các gói tin gửi đi đều mang thông tin địa chỉ hợp lệ nên tường lửa truyền thống hoàn toàn không thể phân biệt được đâu là lệnh đọc dữ liệu bình thường và đâu là lệnh ghi đè mã độc.

Thiết bị tường lửa trong luận văn ngăn chặn lệnh ghi trái phép bằng cách nào? Thiết bị sử dụng phần mềm Suricata kết hợp chế độ hàng đợi NFQUEUE của Linux để đọc từng byte dữ liệu trong gói tin truyền thông. Khi phát hiện mã tác vụ mang giá trị 05h tại byte thứ 17 trong cấu trúc khung truyền S7/PROFINET đại diện cho lệnh ghi dữ liệu, tường lửa sẽ lập tức hủy gói tin và ghi nhật ký cảnh báo.

Việc lắp đặt tường lửa trên Raspberry Pi có gây chậm trễ cho quá trình điều khiển không? Thực nghiệm cho thấy độ trễ xử lý gói tin qua tường lửa chỉ ở mức dưới 2 mili-giây, trong khi thời gian thực thi lệnh logic của PLC S7-1200 là 0.1 micro-giây cho lệnh boolean và 18 micro-giây cho lệnh dấu phẩy động. Do đó, hệ thống hoàn toàn đảm bảo yêu cầu vận hành thời gian thực của các dây chuyền sản xuất.

Tường lửa này có thể tùy biến cho các giao thức khác ngoài S7/PROFINET không? Hoàn toàn có thể mở rộng. Do Suricata hoạt động dựa trên cơ chế nạp tập luật linh hoạt, người quản trị chỉ cần phân tích cấu trúc thứ tự byte của các giao thức Ethernet công nghiệp khác như Modbus TCP hoặc DNP3 để tạo các luật lọc tương ứng mà không cần viết lại mã nguồn hệ thống.

Khi kỹ sư cần nạp lại chương trình cho PLC thì quy trình thực hiện ra sao? Khi cần bảo trì hoặc nạp chương trình mới qua TIA Portal, người quản trị chỉ cần đăng nhập vào giao diện điều khiển của tường lửa và nhập đúng mật khẩu xác thực. Tường lửa sẽ tạm thời vô hiệu hóa luật cấm ghi để cho phép kỹ sư nạp lại chương trình, sau đó tự động kích hoạt lại trạng thái bảo vệ.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện các lỗ hổng bảo mật và nguy cơ tấn công mạng trong hệ thống điều khiển công nghiệp khi kết nối với mạng doanh nghiệp và Internet.
• Đề xuất và hiện thực hóa thành công giải pháp tường lửa chuyên dụng lớp ứng dụng dựa trên nền tảng phần cứng nhúng chi phí thấp và phần mềm mã nguồn mở Suricata.
• Thiết kế tập luật kiểm tra sâu gói tin S7/PROFINET, ngăn chặn triệt để 100% các hành vi ghi đè thông số và nạp lại chương trình trái phép vào PLC Siemens S7-1200.
• Thử nghiệm thành công trên mô hình thực tế điều khiển động cơ băng chuyền với độ trễ xử lý cực thấp, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn vận hành công nghiệp.
• Mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều giao thức công nghiệp khác nhau, tạo tiền đề nâng cấp phần cứng chuẩn công nghiệp trong giai đoạn 12 tháng tới.

Các đơn vị sản xuất công nghiệp cần chủ động đánh giá lại kiến trúc an ninh mạng OT và cân nhắc triển khai các giải pháp tường lửa phân tích sâu lớp ứng dụng ngay hôm nay nhằm triệt tiêu rủi ro gián đoạn sản xuất và bảo vệ hạ tầng trọng yếu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hệ thống điều khiển và giám sát trong công nghiệp bao gồm thiết bị trung tâm, các thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành và giám sát … nhằm hổ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển. Ban đầu hệ thống điều khiển và giám sát trong công nghiệp được giới hạn trong phạm vi nhà xưởng, thông tin trao đổi trong hệ giữa đầu vào (cảm biến), hệ điều khiển và đầu ra (pitton, solenoid, motor…) được tách rời hoàn toàn với mạng Internet, cho nên việc bảo mật thông tin trên đường truyền Ethernet TCP/IP không được coi trọng. Ngày nay, việc toàn cầu hóa của Internet, sự ra đời của việc hợp tác và chuẩn hóa các giao thức truyền thông cùng việc tối ưu nhân lực, thời gian, chi phí, quản trị… đã dẫn đến một kết quả là, mạng điều khiển công nghiệp (Control Nework) đã được kết nối chung với hệ thống mạng doanh nghiệp (Enterprise Network), và cả mạng Internet của thế giới. Chính điều đó đã tạo ra nhiều lỗ hổng, cùng với những lổ hổng sẳn có của hệ thống điều khiển làm chúng rất dễ bị tấn công bởi những kẻ có ý đồ xấu.

Cụ thể tháng 3 năm 2000, các thông tin liên lạc giữa các trạm bơm trong các dịch vụ nước Maroochy ở Úc đã bị mất, các trạm bơm không hoạt động được, các nhân viên phát hiện ra một người nào đó đã tấn công vào hệ thống và gây ra sự cố cho hệ thống này [1]. Vào tháng 8 năm 2003, một con sâu máy tính đã vượt qua tường lửa (firewall) và xâm nhập vào hệ thống diều khiển SCADA tại các nhà máy điện hạt nhân DavisBesse ở Ohio [2]. Xu hướng này lên đến đỉnh điểm với Stuxnet [3], một phần mềm độc hại tấn công vào hệ thống SCADA vào tháng 7 năm 2010. Stunex là một phần mềm độc hại tấn công tinh vi vào các loại PLC, sủa đổi kiểm soát chúng gây ra những bất thường trong hệ thống.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Đỗ Minh Hải Trang 1 Giải Pháp Bảo Vệ Cho Hệ Thống Điều Khiển Trong Công Nghiệp Rất nhiều các nghiên cứu nhằm mục đích bảo vệ an toàn cho hệ thống điều khiển giám sát đã được đưa ra, các thiết bị tường lửa trong thế giới IT làm việc rất hiệu quả, phân tách DMZ (vùng giới hạn cách ly) rất hiệu quả.

Tuy nhiên không phải bất cứ hệ thông điều khiển giám sát nào cũng được tư vấn và triển khai một cách toàn diện hệ thống tường lửa cách ly mạng doanh nghiệp và mạng Internet toàn cầu. Và dù cho có cách ly khỏi mạng doanh nghiệp hay Internet bằng tường lửa hiệu quả thì các lỗi zero-day (hiếm nhưng luôn tiềm ẩn) và các lỗi trong quá trình vận hành của con người (rất, rất nhiều, không phải nhân viên vận hành thiết bị nhà máy nào cũng có đầy đủ kiến thức bảo mật), kĩ thuật tấn công social-hacking bằng cách sử dụng email lừa đảo dẫn đến link tải backdoor là cực kì phổ biến. Một khi backdoor đã cài đặt lên máy tính trong mạng điều khiển nội bộ, thì không có gì ngăn cản PLC bị lập trình với nội dung khác. Vậy thì vấn đề đặt ra là mỗi PLC phải có một tường lửa phía trước để bảo vệ.

Hình 1 : Giải pháp bảo vệ cho PLC trong hệ thống điều khiển công nghiệp [0] GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Đỗ Minh Hải Trang 2 Giải Pháp Bảo Vệ Cho Hệ Thống Điều Khiển Trong Công Nghiệp Nhưng tường lửa truyền thống thì chỉ có khả năng phân loại dựa trên địa chỉ MAC, địa chỉ IP, loại kết nối TCP/UDP và cổng kết nối. Giả sử một máy tính kết nối tới PLC trong mạng điều khiển bị truy cập kiểm soát bởi tin tặc thì tường lửa truyền thống trong trường hợp này vô dụng. Như vậy thì cần có một loại tường lửa chuyên dụng, có khả năng phân tích các gói tin, thông thường chỉ cho phép các lệnh đọc được gửi đến PLC, các lệnh ghi và nạp lại PLC hoàn toàn bị cấm. Chỉ khi nào nhập đúng mật khẩu, tường lửa mới cho phép nạp lại PLC.

Ngay cả tin tặc nếu điều khiển được máy tính và gửi lệnh nạp đến PLC mà không biết mật khẩu tường lửa thì cũng sẽ bị chặn hoàn toàn. Trên thị trường hiện nay chỉ có giới hạn vài tường lửa loại này như Modbus DPI Firewall từ Tofino, SCADA Firewall từ Bayshore Network, và Eagle mGuard từ Innominate, tất cả đều là sản phẩm thượng mại giá thành rất cao và không thể tùy biến cho các loại giao thức ngoài thiết kế được. Do đó để tăng khả năng bảo vệ cho hệ thống điều khiển trong công nghiệp cần có tường lửa chuyên dụng cho từng giao thức.2 Mục tiêu nghiên cứu Phát triển tường lửa cho PLC, có khả năng phân tích gói tin ở lớp ứng dụng gửi qua mạng Ethernet, qua đó không cho phép lập trình hay ghi vào PLC trái phép. Tường lửa có khả năng áp dụng cho các giao thức (Modbus TCP, DNP3, PROFINET….) thông qua các luật, trong phạm vi của luận văn thì học viên lựa chọn giao thức S7/PROFINET làm giao thức chính trong hệ thống điều khiển.3 Nhiệm vụ của Luận Văn - Đưa ra các nguy cơ lỗ hỏng trong bảo mật hệ thống mạng công nghiệp - Phân tích hệ thống mạng công nghiệp - Xây dựng tường lửa trong hệ thống điều khiển công nghiệp - Triển khai mô hình thực tế sử dụng tường lửa này trong hệ thống điều khiển công nghiệp.

- Nêu phương hướng phát triển.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Đỗ Minh Hải Trang 3 Giải Pháp Bảo Vệ Cho Hệ Thống Điều Khiển Trong Công Nghiệp Chương 2: AN NINH MẠNG TRONG HỆ THỐNG MẠNG CÔNG NGHIỆP 2.1 An toàn hệ thống thông tin là gì? Ngày nay Internet/Intranet là môi trường tiện lợi cho việc trao đổi thông tin giữa các tổ chức và giữa các cá nhân trong tổ chức với nhau. Các giao dịch trao đổi thư tín điện tử (email), các trao đổi thông tin trực tuyến giữa cơ quan nhà nước và công dân, tìm kiếm thông tin, … thông qua mạng Internet không ngừng được mở rộng và ngày càng phát triển. Bên cạnh các lợi ích mà Internet/Intranet mang lại thì đây cũng chính là môi trường tiềm ẩn các nguy cơ gây mất an toàn an ninh cho các hệ thống mạng của các tổ chức có tham gia giao dịch trên Internet hoặc Intranet. Một vấn đề đặt ra cho các tổ chức là làm sao bảo vệ được các nguồn thông tin dữ liệu như các số liệu trong công tác quản lý hành chính nhà nước, về tài chính kế toán, các số liệu về nguồn nhân lực, các tài liệu về công nghệ, sản phẩm,.

trước các mối đe doạ trên mạng Internet hoặc mạng nội bộ có thể làm tổn hại đến sự an toàn thông tin và gây ra những hậu quả nghiêm trọng khó có thể lường trước được. Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, các phương thức tấn công cũng ngày càng tinh vi và đa dạng, nó thực sự đe doạ tới sự an toàn của hệ thống thông tin nếu chúng ta không có sự nhận thức đúng đắn về vấn đề này để có những giải pháp hiệu quả để bảo vệ hệ thống của mình. Để bảo đảm an toàn thông tin, một hệ thống phải đạt được 3 yếu tố cơ bản sau đây:  Đảm bảo tính bí mật (Confidentiality): Thông tin không thể bị truy nhập trái phép bởi những người không có thẩm quyền.  Đảm bảo tính toàn vẹn (Integrity): Thông tin không thể bị sửa đổi, bị làm sai lệch.

 Đảm bảo tính sẵn sàng (Availability): Thông tin luôn sẵn sàng để đáp ứng kịp thời cho nhu cầu công việc.2 Mục đích của các cuộc tấn công mạng + Phá vỡ các quy trình sản xuất bằng cách ngăn chặn hoặc trì hoãn các dòng thông tin. + Gây thiệt hại, vô hiệu hóa thiết bị hoặc tắt máy để tác động tiêu cực sản xuất, môi trường. + Sửa đổi hoặc vô hiệu hóa hệ thống an toàn gây ra thiệt hại có chủ ý về tài sản hoặc ngay cả nhân mạng GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Đỗ Minh Hải Trang 4 Giải Pháp Bảo Vệ Cho Hệ Thống Điều Khiển Trong Công Nghiệp Hầu hết các cuộc tấn công mạng mà có thể thâm nhập vào hệ thống điều khiển có nguồn gốc từ hệ thống doanh nghiệp, sau đó là internet và việc tin tưởng các bên thứ ba.3 Những lỗ hỏng trong bảo mật hệ thống mạng điều khiển Để có thể tấn công vào được hệ thống mạng điều khiển, tin tặc cần phải vượt qua được phạm vi phòng vệ để giành quyền điều khiển mạng nội bộ của hệ thống điều khiển. Những phương pháp thường gặp là: - Dùng kết nối quay số trực tiếp đến thiết bị RTU - Truy cập cung cấp dịch vụ thông qua hỗ trợ kỹ thuật.

- Những thiết bị mạng được cài sẵn cổng hậu trong firmware. - Mạng LAN ảo VPN - Liên kết mạng dữ liệu - Những tường lửa cấu hình vụng về - Kết nối ngang hang yếu.1 Dial-up truy cập đến các thiết bị RTU Hầu hết các hệ thống điều khiển có một bản sao lưu modem dial-up trong trường hợp kết nối chính (băng thông rộng) không còn nữa. Tin tặc muốn tấn công phải biết giao thức của RTU để truy cập, tuy vậy hầu hết các RTU không có các cơ chế bảo mật mạnh mẽ và nhất là không có cơ chế xác thực cho từng user. Nguy hiểm hơn, nếu biết được tên của thiết bị RTU trong mạng điều khiển, tin tặc dễ dàng có giao thức truy cập thông qua việc đọc datasheet.

Hình 2 : Truy cập đến mạng điều khiển thông qua kết nối Dial-Up [1] GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Đỗ Minh Hải Trang 5 Giải Pháp Bảo Vệ Cho Hệ Thống Điều Khiển Trong Công Nghiệp 2.2 Việc truy cập của nhà cung cấp thiết bị Những nhà cung câp thiết bị tự động hóa như Schneider, Rockwell, Siemens… luôn phải hỗ trợ cho nhà máy cách sử dụng thiết bị thông qua điều khiển từ xa, thường qua giao thức RDP (Remote Desktop của Windows) trên port 3389, Để giảm thiểu tối đa thời gian và chi phí, các nhà cung cấp thường được truy cập VPN cho chẩn đoán từ xa hoặc bảo trì. Các nhà cung cấp thường xuyên để nguyên cổng mở trên các thiết bị nhằm đơn giản hóa nhiệm vụ của họ. Chính tin tặc sẽ thông qua những cổng này để tấn công vào hệ thống mạng điều khiển của nhà máy. Hình 3 : Các tường lửa thường xuyên được cấu hình với cổng mở sẵn cho phép các nhà cung cấp kết nối thẳng vào mạng điều khiển [1] 2.3 IT kiểm soát thiết bị truyền thông Trong mạng quyền của bộ phận tự động hóa thường chỉ được giới hạn trong phạm vi kiểm soát mạng điều khiển.