Design and Usage of the Human-Machine Interfaces (HMI) for a Land-Based Railway Cyber Range

5,247 0
English 简体中文 繁体中文 ภาษาไทย Tiếng Việt
Summary

Moving from conceptual design to practical implementation, specialized Human-Machine Interfaces (HMIs) are detailed for a land-based railway cyber range. These HMIs leverage a modular, multithreaded software architecture to ensure real-time data processing, robust communication, and intuitive user interaction. Their tailored UI designs offer granular visibility into PLC states, sensor-signal relationships, and system-wide dynamics, crucial for both routine operations and cybersecurity exercises. The system empowers OT engineers to detect and mitigate sophisticated attacks, such as false command injection, false data injection, and ARP spoofing, through real-time verification, cross-HMI consistency checks, and anomaly-driven alerts. Ultimately, these interfaces bridge the gap between physical operations and cyber defense, enhancing resilience in critical railway infrastructure.

title23.png

Giới thiệu

Trong bài viết trước, Triển khai các giao diện Người-Máy khác nhau (HMI) cho một Cyber Range Đường sắt trên cạn, chúng ta đã khám phá sự phát triển của bốn SCADA HMI chuyên dụng được thiết kế cho một cyber range mô phỏng đường sắt trên cạn. Bài viết đó đã giới thiệu các khái niệm cơ bản đằng sau SCADA HMI, cơ sở lý luận cho việc triển khai chúng trong môi trường không gian mạng-vật lý và kiến trúc chức năng được điều chỉnh cho trường hợp sử dụng cụ thể của hệ thống đường sắt này. Tôi đã kết luận bằng một cái nhìn tổng quan về cấu trúc liên kết mạng và thiết kế giao tiếp cho mỗi HMI.

s_012.png

# Author:      Yuancheng Liu
# Created:     2025/06/20
# Version:     v_0.0.3
# Copyright:   Copyright (c) 2025 Liu Yuancheng

Bài viết này đóng vai trò là phần thứ hai trong loạt tài liệu HMI. Trong bài viết trước, tôi kết thúc bằng phần giới thiệu về thiết kế mạng và giao tiếp chi tiết của từng HMI, ở đây tôi sẽ chuyển từ thiết kế khái niệm sang triển khai phần mềm thực tế, cung cấp một cái nhìn chi tiết về cách mỗi HMI trong số bốn HMI hoạt động trong cyber range và hỗ trợ các bài tập an ninh mạng thực tế.

Bài viết này được tổ chức thành bốn phần chính:

  • Thiết kế Phần mềm: Phân tích kiến trúc bên trong của HMI, bao gồm luồng điều khiển, thiết kế mô-đun, quản lý luồng, xử lý không đồng bộ và xử lý dữ liệu.

  • Thiết kế Giao diện Người dùng Cyber Range: Tổng quan về bố cục giao diện và các cải tiến trải nghiệm người dùng (UX) được điều chỉnh cho các kịch bản tập trận mạng.

  • Giới thiệu Sử dụng HMI: Hướng dẫn thực tế về vận hành HMI để giám sát hệ thống, điều khiển và ứng phó với các bất thường trong quá trình mô phỏng mạng.

  • Nghiên cứu điển hình về Phòng thủ: Một minh chứng về cách HMI, khi được tích hợp với các hệ thống phát hiện xâm nhập (IDS), có thể hỗ trợ xác định và giảm thiểu các cuộc tấn công và mối đe dọa mạng cụ thể cho OT.

Làm rõ một câu hỏi thường gặp

Trước khi đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật, hãy làm rõ một câu hỏi thường gặp có thể được hỏi khi tôi giới thiệu cyber range OT:

Một khi hacker xâm nhập vào môi trường OT, thì đã quá muộn - phòng thủ là vô ích và cuộc chiến đã kết thúc. Không có lý do gì để các kỹ sư OT phải là chuyên gia an ninh mạng, đó hoàn toàn là trách nhiệm của IT trong việc phát hiện và phòng thủ các cuộc tấn công mạng, không phải kỹ sư OT.

Quan điểm này có thể phổ biến đối với các nhà khai thác OT, nhưng từ quan điểm của người quản lý hệ thống OT, nó đánh giá thấp các khả năng phòng thủ hiện có trong các hệ thống OT hiện đại và vai trò quan trọng của các kỹ sư OT. Trong thực tế, hệ thống OT bao gồm các cơ chế bảo vệ, chịu lỗi và dự phòng phức tạp để tránh thiệt hại cho các tình huống bất thường khác nhau bao gồm cả tấn công mạng. Chẳng hạn như danh sách trắng PLC-IP, việc sử dụng các mục ARP tĩnh và các giao thức truyền thông được kiểm soát chặt chẽ để làm cho ARP spoofing, tấn công MITM gần như không thể xảy ra. Ngay cả sau một vi phạm ban đầu, các kỹ sư OT, những người hiểu cả quy trình vật lý và các nguyên tắc bảo mật, vẫn có thể xác định, phân tích và ứng phó với các cuộc tấn công kịp thời.

Từ quan điểm của người phòng thủ, không giống như môi trường IT, nơi lưu lượng truy cập thường được mã hóa và che giấu, các mạng OT thể hiện hành vi có tính xác định cao. Tính dự đoán này cho phép lưu lượng truy cập bất thường - chẳng hạn như các truy vấn mDNS không mong muốn, các yêu cầu HTTP không được yêu cầu hoặc các ping giả mạo - nổi bật rõ ràng. Do đó, với các công cụ và đào tạo phù hợp, các kỹ sư OT có thể trở thành tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại các mối đe dọa mạng, làm cho khả năng hiển thị theo thời gian thực thông qua HMI trở thành một thành phần quan trọng của ứng phó sự cố.

Thiết kế Phần mềm HMI

Để hỗ trợ các khả năng mô phỏng, giám sát và ứng phó sự cố theo yêu cầu của cyber range đường sắt, tất cả các chương trình Giao diện Người-Máy (HMI) đều được phát triển bằng kiến trúc mô-đun, đa luồng. Thiết kế này đảm bảo xử lý dữ liệu hiệu quả, khả năng phản hồi theo thời gian thực và phân tách trách nhiệm giữa các mô-đun chức năng khác nhau. Cấu trúc phần mềm tổng thể được mô tả trong sơ đồ kiến trúc bên dưới:

s_024.png

Hình-00: Sơ đồ cấu trúc phần mềm HMI, phiên bản v_0.0.3 (2025)

Cốt lõi của ứng dụng HMI là Luồng Chính, điều phối năm luồng con chính chịu trách nhiệm quản lý luồng dữ liệu, tương tác người dùng, giao tiếp hệ thống và điều khiển theo thời gian thực.

Luồng Chính và các Mô-đun Cốt lõi

Luồng chính khởi tạo và quản lý toàn bộ ứng dụng HMI bằng cách kiểm soát vòng đời và tương tác của tất cả các mô-đun và luồng con. Luồng chính bao gồm 6 mô-đun con:

  • Mô-đun Điều khiển Chương trình: Điều phối việc khởi động và tắt tất cả các luồng con, đảm bảo thực thi chương trình có trật tự và đồng bộ hóa hệ thống.

  • Mô-đun Điều khiển Đồng hồ Chương trình: Quản lý các cơ chế thời gian và tần số vòng lặp cho tất cả các luồng (ví dụ: FPS để hiển thị UI, khoảng thời gian thăm dò dữ liệu cho các luồng giao tiếp).

  • Mô-đun Điều khiển Dữ liệu Chương trình: Giám sát luồng dữ liệu giữa các luồng, đảm bảo trình tự thích hợp cho xử lý trạng thái, phân tích và lưu trữ.

  • Mô-đun Quản lý Cảnh báo: Theo dõi trạng thái hệ thống và kích hoạt cảnh báo để đáp ứng các sự kiện bất thường hoặc vi phạm ngưỡng.

  • Mô-đun Phản hồi Phiên bản Cấu hình Sẵn: Tự động thực hiện các phản hồi được xác định trước (ví dụ: tắt máy, thông báo, gửi lệnh cắt điện) dựa trên các loại cảnh báo và điều kiện do người dùng xác định.

  • Mô-đun Xác minh Hoạt động (Hoạt động): Mô-đun này chỉ được sử dụng bởi nhóm blue team, cho phép HMI cũng chạy cùng một logic ladder như PLC mục tiêu dựa trên đầu vào PLC và so sánh giá trị đọc và kết quả tính toán để phát hiện khả năng tấn công chèn dữ liệu.

1. Luồng Quản lý Dữ liệu IT

Luồng này xử lý các giao tiếp trên lớp IT, bao gồm tương tác với cơ sở dữ liệu và trao đổi tin nhắn giữa các HMI, đồng thời tiến hành lọc sơ bộ dữ liệu đến:

  • Database Comm Client: Giao tiếp với cơ sở dữ liệu ICS cyber range (SQLite3) để tìm nạp dữ liệu (HMI cấp giám sát) hoặc chèn dữ liệu (HMI cấp máy).

  • HMI Comm Client/Server: Tạo điều kiện giao tiếp dựa trên UDP giữa các HMI. Hoạt động như một máy chủ ở chế độ Master HMI và một máy khách ở chế độ Slave.

  • Mô-đun Lưu trữ Dữ liệu IT: Quản lý dữ liệu đến từ cơ sở dữ liệu hoặc các HMI ngang hàng. Nó lọc dữ liệu dư thừa, sắp xếp các bản ghi và gửi thông tin đã được xử lý trước đến Luồng Xử lý Dữ liệu và dữ liệu thô đến Trình quản lý I/O cục bộ để ghi nhật ký.

2. Luồng Quản lý Dữ liệu OT

Luồng chịu trách nhiệm thu thập và chuẩn bị dữ liệu hoạt động từ các thiết bị hiện trường OT như PLC, RTU và IED:

  • OT Communication Clients: Triển khai các trình kết nối cho các giao thức khác nhau bao gồm Modbus-TCP, Siemens S7Comm, IEC 60870-5-104, OPC-UA. Số lượng trình kết nối sẽ giống với số lượng PLC mà HMI kết nối.

  • Mô-đun Xử lý và Lưu trữ Dữ liệu OT Thô: Thu thập dữ liệu thô trong mỗi chu kỳ thăm dò, sắp xếp nó thành các từ điển dành riêng cho thiết bị, lọc các mục không liên quan và ghi nhật ký dữ liệu chưa được xử lý thông qua Luồng Trình quản lý I/O cục bộ.

3. Luồng Xử lý Dữ liệu

Luồng này đóng vai trò là trung tâm phân tích và tinh chỉnh dữ liệu cho HMI:

  • Mô-đun Chuyển đổi Dữ liệu OT: Chuyển đổi các tín hiệu bộ điều khiển thô (ví dụ: trạng thái NC/NO) thành các giá trị logic (ví dụ: True/False, 0/1).

  • Mô-đun Ánh xạ Dữ liệu: Dịch các giá trị hệ thống thành các chỉ báo dễ đọc (ví dụ: ánh xạ một số nguyên bộ nhớ thành số đọc điện áp hoặc màu LED).

  • Mô-đun Lọc Dữ liệu: Loại bỏ các mục trùng lặp hoặc lỗi thời khỏi cả luồng dữ liệu IT và OT.

  • Mô-đun Xác minh Dữ liệu: Xác thực rằng dữ liệu đến nằm trong phạm vi hoạt động dự kiến. Cảnh báo được kích hoạt nếu phát hiện vi phạm.

  • Mô-đun Xử lý Dữ liệu: Tổng hợp và chuẩn bị đầu ra cuối cùng để trực quan hóa và lưu trữ, tương tác với Mô-đun Điều khiển Dữ liệu Chương trình của Luồng Chính.

4. Luồng Quản lý Hiển thị UI

Quản lý giao diện trực quan và logic tương tác giữa người vận hành và hệ thống:

  • UI Components Manager: Kết xuất các thành phần trực quan như chỉ báo, báo động, đồng hồ đo và hiệu ứng hoạt hình trong thời gian thực.

  • Display Refresh Manager: Bảng điều khiển hiển thị để làm mới các chu kỳ trực quan hóa để duy trì UI ổn định và đáp ứng.

  • User Action and Event Handler: Ghi lại các đầu vào của người dùng (ví dụ: nhấp vào nút, bật tắt công tắc) và chuyển các lệnh điều khiển đến Mô-đun Điều khiển Chương trình để thực thi.

5. Luồng Quản lý I/O Cục bộ

Xử lý cấu hình chương trình, ghi nhật ký và các biến trạng thái toàn cục:

  • Config Loader: Phân tích cú pháp các tệp cấu hình để khởi tạo và cập nhật động các cài đặt hệ thống.

  • Log and Record Generator: Ghi tất cả dữ liệu vào các tệp nhật ký liên quan, chuyển đổi nếu tệp nhật ký lớn (10MB), tạo ảnh chụp màn hình HMI khi xuất hiện tình huống bất thường.

  • Global Variable Module: Quản lý các biến được chia sẻ được sử dụng trên toàn bộ ứng dụng và tương tác với Mô-đun Điều khiển Dữ liệu Chương trình để đồng bộ hóa.

Giới thiệu Thiết kế UI HMI

Phần này sẽ giới thiệu thiết kế Giao diện Người dùng cho mỗi chương trình HMI.

Thiết kế Bảng điều khiển Hiển thị PLC

Trong các HMI cấp máy, mỗi HMI có nhiều bảng điều khiển hiển thị PLC để trực quan hóa dữ liệu PLC thô theo thời gian thực (luôn ẩn trong HMI thực tế hoặc HMI song sinh kỹ thuật số). Mỗi HMI cấp máy hiển thị một số lượng bảng điều khiển PLC khác nhau, tùy thuộc vào phạm vi giám sát của nó:

  • HMI Giám sát Hệ thống Tín hiệu: 6 bảng điều khiển PLC

  • HMI Giám sát Khối Đường sắt: 2 bảng điều khiển PLC

  • HMI Điều khiển Tàu Đường sắt: 2 bảng điều khiển PLC

Mỗi bảng điều khiển hiển thị thông tin chi tiết, theo thời gian thực từ một PLC cụ thể, với các ánh xạ đến logic bậc thang liên quan và các thành phần vật lý được kết nối. Cấu trúc thiết kế được hiển thị trong sơ đồ dưới đây:

s_0313.png

Figure-01: PLC display panel details, version v_0.0.3 (2025)

Mỗi bảng điều khiển PLC được chia thành hai phần chính: Thông tin PLC và Hiển thị trạng thái PLC.

Phần Thông tin PLC cung cấp siêu dữ liệu và chi tiết liên lạc về PLC được kết nối:

  • PLC ID: Mã định danh duy nhất được gán cho mỗi PLC trong hệ thống SCADA.

  • Vị trí: Vị trí logic hoặc hệ thống con mà PLC thuộc về.

  • Chế độ: Chế độ PLC (chính/phụ)

  • Địa chỉ IP: IP mạng được PLC sử dụng.

  • Cổng: Số cổng được sử dụng để liên lạc (ví dụ: 502 cho Modbus-TCP).

  • Trạng thái kết nối: Hiển thị xem HMI hiện có được kết nối với PLC hay không. (Xanh lá cây = Đã kết nối, Vàng = Độ trễ cao, Xám = Đã ngắt kết nối)

Phần Hiển thị trạng thái PLC hiển thị dữ liệu theo thời gian thực được đọc trực tiếp từ logic bậc thang PLC và ánh xạ nó tới các thành phần thế giới vật lý. Màn hình được chia thành năm cột chính:

  • ID cảm biến thế giới vật lý: Hiển thị cảm biến được kết nối với tiếp điểm đầu vào PLC. Định dạng: _. Ví dụ: west08 = Đường WE (we), Cảm biến trạm (st) 08.

  • ID và trạng thái thanh ghi giữ: Cho biết trạng thái của thanh ghi được liên kết với tiếp điểm logic bậc thang. Định dạng: R__ . Ví dụ: R_%H0.0 = Thanh ghi giữ, bậc 0, mục 0. Xanh lá cây = Điện áp đầu vào cao 5V, Xám = Điện áp đầu vào thấp 0V.

  • ID cuộn dây: Địa chỉ cuộn dây logic bậc thang. Định dạng: Q. Ví dụ: %Q0.0 = Cuộn dây đầu ra 0 trong bộ bậc 0.

  • Trạng thái cuộn dây: Trạng thái của cuộn dây. Xanh lá cây = BẬT (Điện áp đầu ra cao), Xám = TẮT (Điện áp đầu ra thấp).

  • ID tín hiệu thế giới vật lý: Cho biết bộ truyền động hoặc tín hiệu thế giới thực được điều khiển bởi cuộn dây. Định dạng: __ Ví dụ: STwe08 = Thiết bị tín hiệu tại Đường WE, Trạm 08.

Định dạng ID thanh ghi và ID cuộn dây tuân theo các quy ước thường được sử dụng trong tiêu chuẩn công cụ lập trình PLC Wonderware của Schneider Electric, đảm bảo tính tương thích và quen thuộc cho các kỹ sư công nghiệp như được hiển thị bên dưới:

s_0417.png

Figure-02: Schneider Electric's Wonderware PLC ladder logic editor, version v_0.0.3 (2025)

Thiết kế sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu

Sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu là một thành phần UI cốt lõi của cả HMI giám sát hệ thống tín hiệu, HMI giám sát khối và HMI quản lý HQ, cung cấp ánh xạ trực quan theo thời gian thực giữa các thành phần thế giới vật lý mô phỏng (trạm và nút giao), các cảm biến được kết nối của chúng và trạng thái tín hiệu điều khiển. Nó được thiết kế để cung cấp nhận thức tình huống trực quan trong quá trình vận hành và các hoạt động phòng thủ mạng.

Dưới đây là một ví dụ về ánh xạ các thành phần mô phỏng thế giới vật lý vào màn hình sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu:

s_0910.png

Figure-03: Diagram mapping the physical world simulation components to the sensor-signal relationship diagram, version v_0.0.3 (2025)

Sơ đồ thể hiện sự tương tác giữa:

  • Cảm biến trong các trạm và nút giao (cảm biến vị trí, cảm biến khóa, cảm biến nhả)

  • Đèn tín hiệu (lối vào, lối ra, nút giao)

  • Các thành phần vật lý (công tắc nút giao, vị trí tàu, cửa nền tảng)

Các mối quan hệ được trực quan hóa theo cách cho phép người vận hành đánh giá ngay lập tức xem hành vi tín hiệu có hợp lệ về mặt logic hay không dựa trên trạng thái hiện tại của các cảm biến tương ứng và logic PLC.

Chế độ xác minh logic bậc thang

Một tính năng quan trọng của Sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu là "Chế độ xác minh logic bậc thang". Khi chế độ này được bật (thường là trong các cuộc tập trận phòng thủ mạng), HMI hoạt động ở chế độ xác minh tính nhất quán của mô phỏng, quy trình chi tiết là:

  1. Sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu sẽ chỉ hiển thị trạng thái cảm biến từ dữ liệu thô của PLC.

  2. Mô-đun điều khiển HMI sẽ thực thi logic bậc thang giống như PLC liên quan dựa trên dữ liệu cảm biến PLC.

  3. Sau khi nhận được trạng thái tín hiệu dự kiến, kết quả thực thi logic bậc thang sẽ hiển thị trên tín hiệu Sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu.

  4. Nếu trạng thái tín hiệu của Sơ đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu khác với dữ liệu thô của bảng điều khiển hiển thị PLC, thì có thể xảy ra tấn công chèn lệnh sai OT.

Cơ chế xác minh này được lấy cảm hứng từ các khái niệm từ Dự án PLC Honeypot: https://www.linkedin.com/pulse/python-plc-honeypot-project-yuancheng-liu-vks8c

Giới thiệu về hiển thị giao diện người dùng HMI

Chương này giới thiệu thiết kế Giao diện người dùng (UI) và các thành phần chức năng cốt lõi của bốn loại HMI: HMI giám sát hệ thống tín hiệu, HMI giám sát khối đường sắt, HMI điều khiển tàu đường sắt và HMI quản lý HQ.

1. HMI giám sát hệ thống tín hiệu

HMI giám sát hệ thống tín hiệu cung cấp hình ảnh hóa ánh xạ cảm biến-tín hiệu trong cả khu vực trạm và nút giao. Nó được sử dụng để hiển thị các hoạt động tín hiệu liên quan đến sự hiện diện và di chuyển của tàu trên các ngã ba đường ray và sân ga. Giao diện người dùng với ghi chú giải thích chức năng chi tiết được hiển thị bên dưới:

s_0515.png

Figure-04: Signal System Monitor HMI UI, version v_0.0.3 (2025)

Các thành phần chính của HMI:

  • Bản đồ quan hệ cảm biến-tín hiệu: Hiển thị trạng thái theo thời gian thực của cảm biến tàu và đèn tín hiệu. Nó cũng trực quan hóa các mối quan hệ điều khiển tự động dựa trên bố cục đường ray, khu vực trạm và kết nối nút giao. Nếu bật chức năng xác minh đèn tín hiệu, nó sẽ hiển thị trạng thái tín hiệu dự kiến dựa trên "tính toán logic bậc thang bên trong" để so sánh với dữ liệu thô được đọc từ PLC.

  • Ba bảng điều khiển PLC trạm: 3 bảng điều khiển hiển thị PLC [PLC-03, PLC-04, PLC-05] theo dõi trạng thái đầu vào/đầu ra liên quan đến cảm biến và tín hiệu tại tất cả các trạm.

  • Ba bảng điều khiển PLC nút giao: 3 bảng điều khiển hiển thị PLC [PLC-00, PLC-01, PLC-02] theo dõi trạng thái đầu vào/đầu ra tại các nút giao đường sắt. Mỗi bảng điều khiển bao gồm hiển thị theo thời gian thực các thanh ghi giữ PLC, trạng thái đầu vào/đầu ra kỹ thuật số và trạng thái kích hoạt cuộn dây.

HMI này đóng một vai trò quan trọng trong việc mô phỏng hành vi sai lệch của công tắc, sự cố đèn hoặc lỗi điều khiển trong điều kiện bình thường hoặc tấn công.

2. HMI giám sát khối đường sắt

HMI giám sát khối đường sắt tập trung vào điều khiển tàu ở cấp độ khối và quản lý ATP (Bảo vệ tàu tự động). Nó mô phỏng sự chiếm dụng khối, phát hiện cảm biến và thực thi tín hiệu trên các khối tàu. Giao diện người dùng với ghi chú giải thích chức năng chi tiết được hiển thị bên dưới:

s_0617.png

Figure-05: Railway Block Monitor HMI UI, version v_0.0.3 (2025)

Các thành phần chính của HMI:

  • Bản đồ điều khiển cảm biến-tín hiệu khối: Cung cấp khả năng hiển thị theo thời gian thực trạng thái chiếm dụng khối, kích hoạt cảm biến và chuyển đổi tín hiệu trong các trạm và nút giao.

  • Hai bảng điều khiển trạng thái PLC: 2 bảng điều khiển hiển thị PLC để hiển thị trạng thái tín hiệu I/O và thanh ghi/cuộn dây từ PLC điều khiển khối.

  • Bảng điều khiển ghi đè điều khiển ATP: Cho phép ghi đè thủ công chức năng ATP của PLC khối đường ray. Đã bật (Đã chọn hộp kiểm): Logic ATP hoạt động bình thường thông qua điều khiển bậc thang PLC. Đã tắt (Chưa chọn hộp kiểm): Logic ATP bị bỏ qua và trạng thái tín hiệu vẫn bị đóng băng (giữ trạng thái hiện tại) hoặc được điều khiển thủ công bởi người vận hành.

HMI này đặc biệt hữu ích trong việc chứng minh tác động của việc giả mạo mạng với logic ATP hoặc truy cập điều khiển trái phép.

3. HMI điều khiển tàu đường sắt

HMI điều khiển tàu đường sắt được thiết kế để theo dõi các hệ thống tàu riêng lẻ, bao gồm công suất kéo, đầu vào radar và chẩn đoán theo thời gian thực. Nó hỗ trợ cả mô phỏng hoạt động và thử nghiệm an ninh mạng. Giao diện người dùng với ghi chú giải thích chức năng chi tiết được hiển thị bên dưới:

s_0716.png

Figure-06: Railway Train Control HMI UI, version v_0.0.3 (2025)

Các thành phần chính:

  • Bảng điều khiển thông tin tàu: 10 bảng điều khiển thông tin tàu và 2 trình giữ chỗ cung cấp dữ liệu đo từ xa chi tiết cho mỗi tàu, bao gồm: ID tàu, Tốc độ hiện tại và trung bình, Đầu vào nguồn điện đường ray thứ 3: Điện áp, Dòng điện và Trạng thái nguồn và Nút điều khiển để bật/tắt nguồn đường ray thứ 3.

  • Bảng điều khiển trạng thái radar RTU: 10 chỉ báo để hiển thị trạng thái phát hiện chướng ngại vật từ cảm biến radar hướng về phía trước của tàu.

  • Bảng thông tin RTU: 1 bảng thông tin RTU với 2 chức năng. Chế độ bình thường (test mode false): Hiển thị dữ liệu phản hồi thô từ RTU. Chế độ thử nghiệm: Cho phép người dùng nhập thủ công các giá trị thử nghiệm (ví dụ: tốc độ hoặc công suất) để xác thực các chức năng lọc dữ liệu và cảnh báo.

  • Bảng điều khiển hiển thị trạng thái PLC: 2 bảng điều khiển hiển thị PLC hiển thị thanh ghi giữ trực tiếp và trạng thái cuộn dây được sử dụng để điều khiển nguồn đường ray thứ 3.

  • Công tắc cửa hậu tự động tránh Cung cấp một công tắc cửa hậu để bật/tắt hệ thống tránh va chạm tàu tự động — chủ yếu được sử dụng trong các kịch bản trình diễn tấn công mạng để minh họa các hiệu ứng của việc ghi đè trái phép.

4. HQ Management HMI

HQ Management HMI đóng vai trò là giao diện cấp giám sát cho các nhà điều hành phòng điều khiển. Nó cung cấp cái nhìn tổng quan về trạng thái hoạt động của toàn bộ hệ thống đường sắt và cho phép đưa ra các quyết định chiến lược. Giao diện người dùng với ghi chú giải thích chức năng chi tiết được hiển thị bên dưới:

s_0814.png

Figure-07: Railway HQ Management HMI, version v_0.0.3 (2025)

Các thành phần chính:

  • 22 Chỉ báo Giám sát Ga: Hiển thị trạng thái của tín hiệu vào/ra, cửa sân ga và đèn chiếu sáng cửa liên quan cho mỗi ga được giám sát.

  • 10 Chỉ báo Tàu: Hiển thị vị trí hiện tại của mỗi tàu dựa trên tình trạng chiếm dụng khu vực, tuân theo mô hình kiểm soát đường sắt khối cố định.

  • 6 Chỉ báo Khu vực Đệm Cuối Đường Ray: Giám sát trạng thái tín hiệu tại các điểm cuối vật lý của đường ray.

  • 5 Chỉ báo Nút Giao Đường Đôi: Hiển thị tín hiệu và trạng thái khu vực theo thời gian thực tại các nút giao lớn, nơi có hai đường ray với nhiều điểm giao cắt.

  • 9 Chỉ báo Nút Giao Tín hiệu-Đường ray: Hiển thị trạng thái điều khiển và tín hiệu tại các nút giao rẽ nhánh liên quan đến tín hiệu vào rẽ nhánh và trạng thái khu vực nút giao.

Giao diện này cung cấp khả năng hiển thị tập trung và rất quan trọng đối với nhận thức tình huống trên không gian mạng, phát hiện các mẫu bất thường và điều phối ứng phó sự cố.

Nghiên cứu điển hình về sử dụng và phòng thủ HMI

Phần này sẽ giới thiệu ba nghiên cứu điển hình minh họa cách Giao diện Người-Máy (HMIs) trong Land-Based Railway Cyber Range có thể được các nhà phòng thủ đội xanh sử dụng tích cực để phát hiện và ứng phó với các cuộc tấn công mạng tiềm ẩn vào Công nghệ Vận hành (OT). Các kịch bản này minh họa giá trị của việc giám sát theo thời gian thực, xác minh tín hiệu cảm biến và tính nhất quán của dữ liệu trên các HMI trong các hoạt động phòng thủ mạng.

Trường hợp 1: Phát hiện Lệnh Giả Mạo trên PLCs

Mục tiêu: Sử dụng Sơ đồ Quan hệ Tín hiệu-Cảm biến của HMI để phát hiện sự không nhất quán giữa đầu ra PLC thực tế và đầu ra dự kiến được tính toán từ logic bậc thang. Các bước được hiển thị trong hình bên dưới:

s_109.png

Figure-08: Detecting False Command Injection on PLCs, version v_0.0.3 (2025)

Các bước chi tiết:

  • Cảm biến được kích hoạt: Trong mô phỏng thế giới vật lý, một đoàn tàu tiếp cận một nút giao và kích hoạt cảm biến lối vào. Điều này làm cho thanh ghi đầu vào tiếp xúc PLC tương ứng thay đổi trạng thái trong bảng hiển thị PLC của HMI.

  • Cập nhật cảm biến trong HMI: Sơ đồ Quan hệ Tín hiệu-Cảm biến phản ánh trạng thái cảm biến (nhấp nháy màu vàng và xanh lam nhạt), cho biết nó đã được kích hoạt.

  • Mô phỏng tín hiệu: Mô-đun điều khiển HMI thực thi nội bộ cùng một logic bậc thang như PLC để tính toán trạng thái đầu ra dự kiến — trong trường hợp này, tín hiệu nút giao phải chuyển sang màu đỏ để chặn các đoàn tàu trên tuyến màu cam.

  • Xác minh kết quả: Hệ thống so sánh trạng thái tín hiệu đã tính toán (ví dụ: S-CC-0) với giá trị được hiển thị trong Bảng hiển thị PLC (ví dụ: Scc00). Nếu cả hai khớp nhau, hệ thống vượt qua xác minh, nếu chúng không khớp nhau, HMI sẽ đưa ra cảnh báo về một cuộc tấn công giả mạo lệnh có thể xảy ra.

Trường hợp 2: Phát hiện Giả mạo Dữ liệu trên RTUs

Mục tiêu: Sử dụng xác minh HMI đa lớp để xác định thao tác bộ nhớ RTU tiềm ẩn hoặc tấn công giả mạo dữ liệu. Các bước được hiển thị bên dưới:

s_1110.png

Figure-09: Detecting False Data Injection on RTUs, version v_0.0.3 (2025)

Các bước chi tiết:

  • Cảm biến được kích hoạt: Cảm biến vị trí tàu ga được kích hoạt và sự thay đổi được hiển thị trên Bảng PLC.

  • Trạng thái tín hiệu mô phỏng: Mô-đun bộ điều khiển HMI tính toán trạng thái dự kiến của tín hiệu dựa trên logic bậc thang và hiển thị trạng thái ga trong Sơ đồ Quan hệ Tín hiệu-Cảm biến.

  • So sánh với đầu ra PLC: Hệ thống so sánh tín hiệu đã tính toán (ví dụ: ST[0]) với giá trị thực tế được truy xuất từ PLC (ví dụ: STns00).

  • Xác thực chéo HMI: Các trạng thái đã tính toán và báo cáo được xác thực so với HQ Management HMI, xác nhận rằng các bản ghi cơ sở dữ liệu được cập nhật như mong đợi.

  • Kiểm tra vị trí tàu: Hệ thống đường ray khối cố định trong HQ Management HMI được kiểm tra để xác minh vị trí tàu. Nếu tàu không ở trong khu vực ga dự kiến, điều này có thể cho thấy một cuộc tấn công giả mạo dữ liệu vào bộ nhớ của RTU vì giá trị vị trí tàu được RTU cập nhật định kỳ.

Trường hợp 3: Phát hiện ARP Spoofing qua Bảng Kết nối PLC

Mục tiêu: Xác định ARP spoofing và các cuộc tấn công làm gián đoạn liên lạc bằng cách sử dụng các chỉ báo kết nối mạng HMI. Trường hợp này chứng minh cách các thành viên đội xanh có thể phát hiện các cuộc tấn công ARP spoofing có thể âm thầm làm gián đoạn hoặc chuyển hướng liên lạc giữa HMI và PLCs. Quan sát được hiển thị bên dưới:

s_136.png

Figure-10: Detecting ARP Spoofing via PLC Connection Panel, version v_0.0.3 (2025)

Các quan sát bao gồm:

  • Trạng thái ngắt kết nối không liên tục hoặc vĩnh viễn trên bảng kết nối PLC

  • Thiếu hoặc dữ liệu cập nhật cũ trong màn hình hiển thị thanh ghi PLC

  • Không khớp giữa trạng thái tín hiệu và phản hồi cảm biến theo thời gian

Để biết chi tiết nghiên cứu điển hình, vui lòng tham khảo:

OT Cyber Attack Workshop [ Case Study 02 ]: ARP Spoofing Attack on HM : https://www.linkedin.com/pulse/ot-cyber-attack-workshop-case-study-02-arp-spoofing-hmi-yuancheng-liu-howzc

Kết luận

Bài viết này đã trình bày chi tiết việc triển khai thực tế và tiện ích hoạt động của bốn Giao diện Người-Máy (HMIs) chuyên dụng trong một land-based railway cyber range. Bằng cách tận dụng kiến trúc phần mềm đa luồng, mô-đun, các HMI này đảm bảo xử lý dữ liệu theo thời gian thực, giao tiếp mạnh mẽ và tương tác người dùng trực quan — rất quan trọng cho cả hoạt động thường lệ và các bài tập an ninh mạng có tính rủi ro cao. Các thiết kế giao diện người dùng, được điều chỉnh cho các vai trò hoạt động riêng biệt (giám sát tín hiệu, kiểm soát khu vực, quản lý tàu và giám sát trung tâm), cung cấp khả năng hiển thị chi tiết vào trạng thái PLC, quan hệ tín hiệu-cảm biến và động lực học trên toàn hệ thống. Điều quan trọng là các nghiên cứu điển hình về phòng thủ đã chứng minh cách các HMI này trao quyền cho các kỹ sư OT phát hiện và giảm thiểu các cuộc tấn công tinh vi — chẳng hạn như giả mạo lệnh và ARP spoofing — thông qua xác minh theo thời gian thực, kiểm tra tính nhất quán chéo HMI và cảnh báo dựa trên dị thường. Cùng với nhau, các giao diện này thu hẹp khoảng cách giữa các hoạt động vật lý và phòng thủ mạng, chứng minh rằng các HMI được thiết kế tốt là các công cụ không thể thiếu để tăng cường khả năng phục hồi trong cơ sở hạ tầng đường sắt quan trọng.

Nếu bạn muốn biết thêm về land based railway system cyber range, đây là một số bài viết liên quan:

Video demo hệ thống đường sắt: https://youtu.be/WnJh1T3XZns?si=IlVXDRiWxJ1Rwe-K

Các nghiên cứu điển hình về tấn công mạng trên hệ thống đường sắt:

  RELATED

No related programming articles found. Browse all programming tutorials and articles.

  COMMENTS

0

No comment for this article.