工控网络仿真靶场虚拟化场景的构建

孙 健，翟健宏

(哈尔滨工业大学 网络空间安全学院，哈尔滨 150000)

0 引 言

工业互联网作为新型基础设施和战略新兴产业，是中国迈向制造业强国进程中的重要发展领域。《“十四五”规划和2035年远景发展目标纲要》提出：“要加快工业互联网建设，推动互联网、大数据、人工智能等各产业深度融合，推动先进制造业集群发展”，将工业互联网列为数字经济重点产业。

挑战与机遇并存。随着工控系统与互联网的深度融合，原来的“信息孤岛”也面临来自互联网的安全风险。由于工控系统广泛应用于能源、交通、制造等关系国计民生和国家安全的关键领域，保障工控系统安全的重要性十分突出。现运行的工控系统由于高可靠性和安全性要求，难以开展渗透测试、漏洞挖掘和攻防演练等带有破坏性的研究工作。因此，必须构建能够满足安全研究需求的工控网络仿真靶场，这对开展工控网络安全测试、组织面向工控网络的攻防演练、培育高水平工控安全人才队伍具有重要的现实意义[1-2]。

当前，工控网络仿真靶场的形态以全实物和半实物为主[3]。虽然实物类靶场具有仿真程度高的优点，但是投入成本高、建设周期长、维护代价高、可扩展性和灵活性低，场景单一、固化，不利于推广应用。有鉴于此，本文基于虚拟化工控网络仿真靶场，提出了一种场景构建方案，设计实现了PCBA智能制造场景，完善了工控网络仿真靶场的建设。

1 相关技术

1.1 工业控制系统

工业控制系统(Industrial Control Systems，ICS)是由各种自动化控制和过程控制组件构成的，确保工业基础设施自动化运行的业务流程管控系统。其核心组件主要包括：数据采集与监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)、分布式控制系统(Distributed Control Systems，DCS)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、远程终端(Remote Terminal Unit，RTU)和人机交互界面Human Machine Interface，HMI)等。

各组件的通信采用工控系统特有的协议。工控通信协议种类繁多，常见的标准协议有Modbus、DNP3、IEC104、OPC等；私有协议有西门子S7、欧姆龙FINS等。本文构建的PCBA智能制造场景中，OPC Server与各个节点、各个节点之间均采用Modbus TCP协议通信。

1.2 OpenStack

OpenStack是一个开源的云计算管理平台，由美国国家航空航天局和Rackspace合作研究并发起，其目标是提供实施简单、可大规模扩展、丰富、标准统一的云计算管理平台。OpenStack目前拥有近30个组件，其核心组件主要包括认证服务(Keystone)、计算服务(Nova)、网络服务(Neutron)、镜像服务(Glance)、对象存储服务(Swift)和块存储服务(Cinder)等。本文使用OpenStack框架的Stein版本搭建虚拟化平台，创建工控网络仿真靶场的基础环境。

1.3 PLC

PLC是广泛用于自动化控制领域的数字运算控制器，由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作，一个扫描周期要经过输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段。

PLC是根据工控系统要求和实际业务流程，按照PLC编程语言规范设计实现的控制程序。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准(IEC1131-3)，PLC的5种标准编程语言是：梯形图语言(LD)、指令表语言(IL)、功能模块语言(FBD)、顺序功能流程图语言(SFC)、结构文本化语言(ST)。本文使用开源软件OpenPLC Runtime[4-5]作为PLC软实现，使用ST语言设计实现各节点的PLC程序。

1.4 OPC统一架构

应用过程控制的对象连接和嵌入技术(OLE for Process Control，OPC)，是工控领域的一种数据访问机制，用于为不同供应商生产的工控设备和应用程序之间提供标准化接口，解决数据交互的跨平台、跨协议问题。

早期OPC标准基于微软的OLE/COM技术，支持多种语言和代码重用，但由于对Windows平台的依赖性，已不能满足工控系统的发展需求。2006年，OPC基金会推出新一代技术标准：OPC统一架构(OPC Unified Architecture，OPC UA)。与早期标准相比，OPC UA不仅包括了数据访问、历史数据访问、报警和事件、安全等不同方面的功能，而且在其基础上集成了Web服务，构建了统一的数据模型，规范了复杂的地址空间，为协议实现、信息建模和服务器设计提供了支撑[6-8]。

本文基于OPC UA规范建立靶场场景的信息模型，使用开源的Open62541作为开发包完成OPC Server的设计与开发。

2 PCBA场景建模

印刷电路板装配(Printed Circuit Board Assembly，PCBA)是对PCB空白板进行表面贴装的制造过程，主要包括载板、印刷、贴片、回流焊、插件、波峰焊和质检等流程。目前，PCBA已经高度自动化、智能化，涵盖了机器人、传送带、传感器和控制器等智能制造领域的典型组件，具有要素齐全、代表性强、复杂度适中、规模可扩展的特点，适于构建工控网络仿真靶场虚拟化场景。本文选取某PCBA实验床为对象建立场景模型。

2.1 场景描述

如图1所示，空白PCB板从进料口进入，按逆时针方向依次完成6道工序后从出料口递出，整条流水线形成一个闭合环路。其中，6条工位传送带各由一个驱动电机驱动，单向传送，2个转接传送带组各由4个驱动电机驱动，双向传送。

图1 PCBA场景图

2.2 场景模型

上述场景可以抽象为主控制器、工位和转接组3个组件，分别用3套控制算法描述各组件的运行逻辑：

2.2.1 符号说明

M(驱动电机)：M1～M6表示6个工位传送带驱动器，MA1～MA4表示转接组A的4个驱动器，MB1～MB4表示转接组B的4个驱动器；

R(机器人)：R1～R6表示6个工位机器人；

P(定位传感器)：P1～P6表示6个工位定位传感器，PA1～PA3表示转接组A的3个定位传感器，PB1～PB3表示转接组B的3个定位传感器;

L(传输线)：工位1、2、3和两个转接组构成传输线L1，工位4、5、6和2个转接组构成传输线L2，signal_L1和signal_L2表示相应的控制信号。

2.2.2 工位控制算法

工位根据控制信号和定位传感器状态，控制机器人和工位传送带驱动电机，其控制算法描述如下：

Pn为真时，停止Mn，启动Rn；

Rn完成预定工时后，停止Rn，将Pn复位；

Pn非真，signal_L1为真时，启动Mn。

2.2.3 转接组控制算法

转接组根据控制信号和定位传感器状态，控制4台传送带驱动电机的运行，其控制算法描述如下(以转接组A为例)：

(1)MA1～MA4分别驱动传送带向上、下、左、右4个方向转动；PA1、PA2分别判断转接组是否与传输线L1、L2对齐，PA3判断操作台是否居中就位；

(2)初始状态下，PA1为真，MA1～MA4、PA2、PA3非真；

(3)signal_L1为真时，启动M3；

(4)P1为真时，停止M3，启动M2，复位PA1；

(5)PA2为真时，停止M2；

(6)signal_L2为真时，启动MA4；

(7)PA3为真时，停止MA4，启动MA1，复位PA2；

(8)PA1为真时，停止MA1。

2.2.4 主控制器控制算法

主控制器根据各定位传感器状态，发出控制信号，其控制算法描述如下：

(1)P1、P2、P3、PA1、PB1都为真时，将signal_L1置真，否则复位；

(2)P4、P5、P6、PA2、PB2都为真时，将signal_L2置真，否则复位。

2.3 信息建模

完成场景建模后，根据OPC UA信息建模规范和流程，按照面向对象的方法对场景进行信息建模。为此定义以下4种类型：

(1)驱动电机类型：成员包括转速变量、运行状态变量、启动方法和停止方法；

(2)机器人类型：成员包括运行状态变量、启动方法和停止方法；

(3)工位类型：成员包括驱动电机对象、机器人对象、定位传感器变量；

(4)转接组类型：成员包括4个驱动电机对象和3个定位传感器变量。

场景信息模型如图2所示。

图2 信息模型

3 场景构建与部署

3.1 虚拟化靶场平台搭建

使用OpenStack:stein搭建靶场的虚拟化平台，平台硬件资源见表1。

表1 靶场资源

主机controller作为控制节点，部署有keystone组件、glance组件、placement组件、nova组件、neutron组件和zun组件，负责资源管理和调度；主机compute1、compute2、compute3作为计算节点，部署有nova组件、neutron组件，负责提供计算和网络资源；其中主机compute3还安装了docker服务和zun组件，负责提供容器服务。

3.2 场景各节点构建

按照场景模型，创建1个节点作为主控制器，6个节点作为工位，2个节点作为转接组。各节点在虚拟化平台中通过容器实现，容器中运行OpenPLC Runtime。使用ST语言将场景模型中各组件的控制算法编写成PLC程序，上传至OpenPLC Runtime中运行。各节点之间使用Modbus TCP协议通信，其中主控制器为Modbus主站，其余各节点均为Modbus从站。主从站结构如图3所示：

图3 主从站结构

3.3 OPC Server开发

OPC Server的主要功能是监测和采集各节点数据提供给客户端，向各节点传达客户端指令。OPC Server使用VS2019开发，主要开发流程如下：

(1)导入信息模型。将2.3中导出的xml文件载入服务器工程；

(2)添加对象节点。向服务器中添加6个工位对象节点和2个转接组对象节点；

(3)建立连接。使用libmodbus库与3.2中各节点建立Modbus TCP连接；

(4)添加监测项和回调函数。将各个对象中的状态变量设置为监测项，为对象中的启动方法和停止方法设置回调函数，在回调函数中完成对相应地址空间的读写操作。

3.4 部署运行

完成各节点构建和OPC Server开发后，按照以下步骤完成场景部署：

(1)按照工控5层网络模型，在虚拟化平台中创建虚拟网络，场景网络划分详情见表2；

表2 场景网络划分

(2)创建各节点虚拟机和容器，如图4所示；

图4 场景节点

(3)启动OPC Server，如图5所示；

图5 OPC Server运行

(4)运行与测试，如图6所示。

图6 使用UaExpert监控场景运行状态

场景运行后，使用UaExpert软件作为客户端连接OPC Server。在UaExpert中调用启动函数，发出启动指令，场景开始运行。通过观察UaExpert中的监测变量和OpenPLC Runtime中的变量变化状态，可以判断，变量变化状态符合控制逻辑和模型设计，场景运行状况良好。

4 结束语

本文以PCBA智能制造生产线为对象，通过场景建模、信息建模、PLC程序设计和OPC Server开发等环节完成了一种工控虚拟化场景的设计与实现，并在工控网络仿真靶场中完成部署。通过运行测试，场景运行状态良好。该场景符合工控网络架构和系统规范，支持OPC统一架构，具有较好的伸缩性，部署维护便捷，适于开展工控网络安全测试和教学培训。