[论文解读] KYPO4INDUSTRY: A Testbed for Teaching Cybersecurity of Industrial Control Systems

Pavel Čeleda, Jan Vykopal+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2020

Experimental Learning in Engineering参考文献 24被引用 12

一句话总结

KYPO4INDUSTRY 提供了一款低成本、开源的实验平台及一种翻转课堂课程，用于向计算机科学专业的学生教授工业控制系统（ICS）网络安全知识。通过可重构的硬件模块和动手开发的游戏，学生能够模拟真实的网络攻击，从而掌握 ICS 特有的威胁类型和事件响应技能。

ABSTRACT

There are different requirements on cybersecurity of industrial control systems and information technology systems. This fact exacerbates the global issue of hiring cybersecurity employees with relevant skills. In this paper, we present KYPO4INDUSTRY training facility and a course syllabus for beginner and intermediate computer science students to learn cybersecurity in a simulated industrial environment. The training facility is built using open-source hardware and software and provides reconfigurable modules of industrial control systems. The course uses a flipped classroom format with hands-on projects: the students create educational games that replicate real cyber attacks. Throughout the semester, they learn to understand the risks and gain capabilities to respond to cyber attacks that target industrial control systems. Our described experience from the design of the testbed and its usage can help any educator interested in teaching cybersecurity of cyber-physical systems.

研究动机与目标

• 弥合工业控制系统（ICS）网络安全教育中的日益扩大的差距，因为 ICS 在架构和安全需求方面与传统 IT 系统存在显著差异。
• 提供一种可扩展、经济实惠且可重构的实验平台，使用现成组件来模拟真实的 ICS 环境，以满足教育需求。
• 设计一门基于翻转课堂教学模式的大学课程，通过开发教育类网络攻击模拟游戏来教授 ICS 安全知识。
• 使计算机科学专业的学生掌握 ICS 特有的威胁、PLC 编程以及事件响应的实际技能，为未来参与关键基础设施保护工作做好准备。
• 通过共享可复用的实验平台设计方案和结构化、项目驱动的课程大纲，支持教育工作者有效开展 ICS 网络安全培训。

提出的方法

• 开发 KYPO4INDUSTRY 作为模块化、开源的实验平台，采用基于 Raspberry Pi 的 PLC、传感器、执行器和 I/O 模块，以模拟真实的工业控制流程。
• 使用现成硬件和开源软件构建实验平台，确保成本低廉、可重构且长期可维护。
• 实施翻转课堂教学模式，学生通过课前材料学习基础概念，并在课后通过动手游戏开发应用所学知识。
• 以开发教育类网络攻击模拟游戏为核心组织课程，设置渐进式里程碑，包括游戏设计、PLC 层实现以及监控系统集成。
• 通过 GitLab 实现代码版本控制和结构化缺陷报告，引入同行评审和反馈循环，提升软件质量和协作能力。
• 举办公开的“Hacking Day”活动，用于验证学生开发的游戏，推广 ICS 网络安全意识，并提供真实世界测试与反思的机会。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一款成本低廉、可重构的实验平台，以实现对真实工业控制系统的教育性模拟？
• RQ2 在基于游戏的学习模式下，翻转课堂教学在多大程度上能够提升学生对 ICS 特有网络安全威胁的理解与参与度？
• RQ3 学生自主开发的网络攻击模拟游戏是否能够有效模拟真实世界的 ICS 攻击，同时作为识别漏洞和响应策略的教育工具？
• RQ4 在大学网络安全课程中整合网络物理系统面临哪些关键挑战？如何通过模块化实验平台和结构化教学法加以解决？
• RQ5 在 ICS 环境下通过动手游戏开发，相较于传统的以 IT 为重点的网络安全培训，如何更有效地提升学生的专业技术能力和软技能？

主要发现

• KYPO4INDUSTRY 实验平台成功支持 148 个基于 Raspberry Pi 的 PLC，涵盖 10 个桌面控制台和 6 个移动控制面板，实现了可扩展且可重构的 ICS 模拟。
• 学生开发了 14 款教育类网络攻击模拟游戏，真实展现了其对 ICS 特有威胁和攻击向量的实践理解。
• 采用基于游戏项目的翻转课堂教学模式显著提升了学生参与度，同行评审与 Hacking Day 活动通过公开演示和反馈进一步增强了学习效果。
• 利用 GitLab 进行版本控制和结构化缺陷报告，有效提升了软件质量与协作效率，学生能够对同伴开发的游戏提交具有可操作性的反馈。
• 该课程成功弥合了 IT 与 ICS 网络安全教育之间的鸿沟，聚焦于工业控制系统的独特运行特性和安全需求。
• 实验平台与课程设计具备可复用性和可扩展性，开源组件支持未来升级，并可整合到其他学术或培训项目中。