云计算环境下工业信息物理系统主动入侵反应关键技术及应用研究

Industrial cyber-physical system is the key to intelligent manufacturing and “Industry 4.0”. It is of crucial significance to guarantee its security. This project is proposed to research on the key technologies and implementation methods to proactively and timely recover industrial cyber-physical system to normal operation or acceptable risk level state all by itself when the system is under cyber-attack. To achieve this goal, a proactive intrusion response framework is firstly designed after a thorough investigation into the network structure, operation characteristics and security requirements of cloud-integrated industrial cyber-physical systems. Secondly, Bayesian network and Game theory, combined with system model and running data, will be utilized to dynamically make global optimal defense strategies with multiple constraints. Meanwhile, online security function reconfiguration method will be studied based on software-defined networking and virtualization techniques, which aims to flexibly schedule security resources and dynamically orchestrate security services. Then we intend to propose a “Cloud-Edge” collaborative quick intrusion response method and switching model-based autonomous resilient security control strategy, which forms a double closed-loop real-time security control structure for field control systems. In addition, it is planned to build a testbed for conducting emulation experiments, and also carry out engineering applications. The goal of this project is to solve the critical technological problems of proactive intrusion response in cloud-integrated industrial cyber-physical systems. The results obtained would hopefully improve the security design theory for industrial cyber-physical systems, accelerate the integration of cloud computing and the industry, and secure the evolution of informationization and industrialization.

工业信息物理系统是智能制造和“工业4.0”的核心，保护其安全至关重要。项目研究云计算环境下工业信息物理系统在遭到网络入侵时，依靠系统自身主动将系统及时恢复到正常工作状态或可接受风险状态的关键技术和实现方法。深入分析工业信息物理系统与云计算融合后的网络结构、运行特点及安全需求，设计主动入侵反应控制框架；结合系统模型和运行数据，利用贝叶斯网和博弈论动态制定多约束条件下的全局最优安全防御策略；研究基于软件定义网络和虚拟化技术的安全防护功能在线重构，实现安全资源灵活调度和安全服务动态编排；提出基于“云-边缘”协同的现场快速入侵反应和基于切换模型的自主弹性安全控制方法，构建现场双闭环实时安全控制结构；搭建测试平台进行仿真实验并开展工程应用。项目解决云计算环境下工业信息物理系统主动入侵反应的关键技术问题，可完善工业信息物理系统安全设计理论，加速云计算与工业的融合，为工业化和信息化的安全发展保驾护航。

本课题致力于实现云环境下工业信息物理系统主动入侵反应的安全策略决策与响应、实时安全控制等关键技术的研究。课题组按照项目计划书预定的目标与要求，历经4年的探讨研究，完成了课题预定的各项研究任务。主要研究进展与成果如下：总结云计算与工业信息物理系统的安全需求及融合方法，构建云计算环境下工业信息物理系统的主动入侵反应控制框架。设计基于机器学习和可视化分析技术的安全知识提取架构，研究深度融合系统安全知识模型和全局时空运行大数据的最优动态安全策略决策方法。在此基础上，研究基于软件定义网络的云环境下工业信息物理系统可重构安全策略响应方法，实现安全服务功能的在线重构与网络安全任务的动态执行。研究基于“云-边缘”协同的工业信息物理系统现场实时安全控制方法，构建基于实时弹性控制和快速入侵反应的现场双闭环安全控制框架。最后，结合具体对象，实现云环境下工业信息物理系统主动入侵反应仿真验证平台的搭建并进行所研究方法的验证，进一步地，探索了主动入侵反应关键技术在实际控制系统中的实现方法。另一方面，将部分研究成果积极应用于相关横向项目，开展了具体的工程实践应用，取得了一定的经济效益。项目执行期间，培养了多名博士研究生和众多硕士研究生，为相关企业事业单位输送了优秀人才。发表22篇高水平学术论文，其中包括SCI期刊论文17篇（IEEE trans. 长文9篇）、中文核心论文1篇。申请国家发明专利3项（已授权2项，实质审查1项）和软件著作权2项。参与撰写了相关白皮书1项。研究成果能够解决云计算环境下工业信息物理系统主动入侵反应的关键技术问题，可完善工业信息物理系统安全设计理论，加速云计算与工业的融合，为工业化和信息化的安全发展保驾护航。