Simulating a Water Control System in my Home Office
项目简介
我决定在家中办公室构建一个功能完整的工业水控制系统（Water Control System, WCS）模拟环境。这个项目的核心目标是，在一个安全且可控的沙箱中，深入研究现实世界工业控制系统（ICS）和监控与数据采集（SCADA）系统的脆弱性，并测试安全防御措施。这个系统将模拟一个包含水泵、阀门、传感器和控制器的典型水处理设施。
硬件搭建
模拟系统的物理基础由以下几个关键硬件组件构成：
- 可编程逻辑控制器（PLC）：选用了一台Allen-Bradley MicroLogix 1400，这是工业环境中广泛使用的型号。它充当系统的大脑，执行控制逻辑。
- 人机界面（HMI）：使用一台10英寸的触摸屏PanelView Plus，为操作员提供可视化的系统状态显示和控制接口。
- 输入/输出（I/O）模块：连接了模拟传感器（用于水位、流量、压力）和继电器模块（用于控制水泵和电磁阀）。
- 网络组件：所有设备通过一台工业级以太网交换机连接，并与我的家庭实验室网络隔离，形成一个独立的测试网络。
软件与控制逻辑
系统的软件层面主要由以下几部分构成：
- PLC编程：使用Rockwell Automation的RSLogix 500软件，为MicroLogix 1400编写梯形图逻辑。控制逻辑包括：
- 根据水位传感器的反馈，自动启停水泵。
- 控制进水阀和出水阀的开关顺序。
- 实现简单的PID（比例-积分-微分）控制，以维持稳定的水压。
- 设置警报条件（如水位过高、泵故障）。
- HMI界面开发：使用FactoryTalk View Studio软件为PanelView Plus创建可视化界面。界面展示了整个系统的流程图、实时传感器读数、设备状态（运行/停止/故障）以及手动控制按钮。
- 历史数据记录：配置了一个运行在Raspberry Pi上的轻量级时序数据库（InfluxDB），用于记录所有传感器数据和操作事件，方便后续分析和复盘。
网络架构与协议
为了真实模拟工业环境，网络架构采用了分层设计：
- 控制层：PLC、HMI和I/O设备位于此层，使用以太网/IP协议进行通信。
- 监控层：运行数据记录服务的Raspberry Pi和我的工程工作站位于此层，通过OPC UA协议从PLC读取数据。
- 隔离边界：整个测试网络通过防火墙与我的主办公网络物理隔离，防火墙规则仅允许特定的管理流量通过。
安全研究与模拟攻击
构建这个环境的主要目的是进行安全研究。在系统稳定运行后，我进行了一系列模拟攻击，以评估其安全性：
- 协议模糊测试：使用诸如
napalm、python-scapy等工具，对以太网/IP和Modbus TCP（通过网关模拟）协议发送畸形数据包，测试PLC的协议栈健壮性。 - 凭证攻击：尝试对HMI和工程软件（RSLogix）的登录界面进行弱口令爆破和默认口令测试。
- 中间人攻击：在PLC和HMI之间部署ARP欺骗，尝试拦截、篡改或重放控制指令。
- PLC逻辑篡改：尝试通过未授权的工程软件连接，上传恶意的梯形图程序，意图改变系统的控制行为（例如，让水泵无限期运行导致干转）。
防御措施与实践
针对上述攻击向量，我实施并验证了以下关键的工业网络安全防御措施：
- 网络分段与隔离：这是最基本也是最重要的措施。将控制网络与办公/IT网络严格分离。
- 最小权限访问控制：为HMI和工程软件设置强密码，并禁用默认账户。在防火墙上仅开放必要的服务端口。
- 协议安全加固：在可能的情况下，启用通信加密（虽然许多传统工业协议本身不支持）。使用VPN来远程访问工程工作站。
- 设备加固：禁用PLC上不必要的服务（如FTP、Telnet），更新固件至最新版本（在测试环境中评估兼容性后）。
- 监控与审计：利用数据记录器收集的日志，建立基线行为模型，并设置警报规则来检测异常活动（例如，在非工作时间出现大量的工程站连接请求）。
总结与收获
这个家庭实验室项目提供了一个极其宝贵的实践平台。通过亲手构建并攻击一个真实的（虽然是微缩的）工业控制系统，我获得了以下几点深刻见解：
- 传统工业协议（如以太网/IP、Modbus）在设计之初普遍缺乏安全考虑，依赖于“物理隔离即安全”的假设。
- PLC和HMI等设备通常生命周期长，且补丁更新困难，容易积累已知漏洞。
- 防御的重中之重在于架构安全，即通过网络分段、最小权限和深度监控来增加攻击者的成本和被检测的风险。
- 操作人员的安全意识与流程（如变更管理、事件响应）与技术防护同等重要。
这个模拟水控制系统将继续作为我测试新安全工具、验证攻击技术和实践防御策略的沙箱。我希望这些实践经验能对致力于保护关键基础设施的网络安全同行有所启发。