基于数字孪生与物理状态预言机的运营技术模糊测试框架

《Electronics》：A Digital Twin-Based Fuzzing Framework for Cyber–Physical Security Verification in Operational Technology Systems

　　

摘要

运营技术（OT）系统日益暴露于网络安全威胁之中。模糊测试在漏洞发现方面非常有效，但传统模糊测试工具仅依据崩溃或协议响应来判断测试结果，无法检测到那些将物理过程驱动至不安全状态但符合协议规范的有效输入；对生产环境的 OT 系统进行测试也存在风险。本文提出了一种基于数字孪生的模糊测试框架，该框架集成了传感器仿真、PLC 逻辑仿真、执行器仿真、监控和模糊测试，并使用计算过程真实状态的物理状态预言机来评估每个测试输入。基于 Modbus 和 WebSocket 通信的原型系统分两步进行了评估。基本操作检查显示，响应延迟低于 100 毫秒，输出一致性为 100%，并在 1 秒内完成异常检测。一项针对受火力发电厂启机控制器启发的控制器的定量实验，在四种条件下进行了 117 次有效试验，检测到 57 次失效，其中均未引发通信或软件异常。传感器读数停滞导致了安全违规，注入的输入验证缺陷在每次有效试验中均被暴露，并揭示了控制器合理性检查中的两个非预期弱点。这些结果表明，OT 系统中的模糊测试结果应从过程的物理状态进行评判，而数字孪生为此提供了实用的平台。