《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)與實(shí)踐》教學(xué)大綱

《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)與實(shí)踐》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：課程類(lèi)型：專(zhuān)業(yè)選修課課程名稱(chēng)：工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)與實(shí)踐學(xué)時(shí)學(xué)分：48學(xué)時(shí)（其中：理論16學(xué)時(shí)，實(shí)踐32學(xué)時(shí)）適用專(zhuān)業(yè)：自主學(xué)習(xí)：開(kāi)課單位：開(kāi)課時(shí)間：一、課程定位本課程是自動(dòng)化本科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課程。本課程利用菲尼克斯電氣公司的PLC、AIO/DIO模塊、PROFINET交換機(jī)、安全路由器和防火墻MGUARD等設(shè)備，構(gòu)建小型工業(yè)控制系統(tǒng)，使學(xué)生了解常見(jiàn)工控網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)體系，了解利用PLC進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制的方法，掌握工業(yè)交換機(jī)的配置方法，熟練掌握路由器和防火墻的安全配置方法，理解VPN、NAT的功能特點(diǎn)及配置。二、課程目標(biāo)本課程是與菲尼克斯合作建設(shè)的理實(shí)一體化課程，通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解小型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的基本組成及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的配置方法。1.知識(shí)目標(biāo)（1）了解工業(yè)控制系統(tǒng)安全架構(gòu)及安全設(shè)備；（2）了解PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件組態(tài)；（3）了解PLC程序的開(kāi)發(fā)；（4）掌握工業(yè)交換機(jī)的基本配置；（5）掌握VLAN的工作原理及配置；（6）掌握生成樹(shù)的工作原理及配置；（7）理解路由器和工業(yè)防火墻的原理及配置；（8）理解NAT的工作原理及配置；2.能力目標(biāo)（1）能夠搭建小型的工控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；（2）能夠利用PLC進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制；（3）能夠根據(jù)需要對(duì)工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行配置、優(yōu)化和故障排除；（4）能夠根據(jù)需要對(duì)路由器和工業(yè)防火墻進(jìn)行配置、優(yōu)化和故障排除；（5）能夠根據(jù)需要進(jìn)行NAT的配置、優(yōu)化和故障排除；3.素質(zhì)目標(biāo)（1）培養(yǎng)正確的人生觀、價(jià)值觀和責(zé)任感（包括專(zhuān)業(yè)責(zé)任感、社會(huì)責(zé)任感、歷史責(zé)任感）；（2）培養(yǎng)良好的動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題的能力以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；?）培養(yǎng)良好的語(yǔ)言表達(dá)能力、與人溝通能力，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；（4）培養(yǎng)愛(ài)崗敬業(yè)、誠(chéng)實(shí)守信、團(tuán)結(jié)協(xié)作、吃苦耐勞的職業(yè)道德；（5）培養(yǎng)獨(dú)立的自主學(xué)習(xí)能力；（6）培養(yǎng)新技術(shù)的應(yīng)用能力、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。三、教學(xué)內(nèi)容與要求序號(hào)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求建議學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)教學(xué)方法和手段1工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全概述工控安全防護(hù)體系了解工控系統(tǒng)及安全概況了解工控系統(tǒng)安全架構(gòu)了解工控系統(tǒng)安全防護(hù)體系掌握工控網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備掌握常見(jiàn)的工控安全防護(hù)方案4重點(diǎn)：工控網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備常見(jiàn)的工控安全防護(hù)方案課堂講解自主學(xué)習(xí)2可編程邏輯控制器PLC了解PLC相關(guān)原理PLCNext技術(shù)與軟件操作掌握PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件組態(tài)掌握PLC程序的開(kāi)發(fā)4重點(diǎn)：設(shè)置PLC的IP地址PLC跑馬燈程序難點(diǎn)：PLCNextEngineer的PROFINET組態(tài)課堂講解操作演示實(shí)踐訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)3工業(yè)總線與以太網(wǎng)基礎(chǔ)了解現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)了解以太網(wǎng)基礎(chǔ)了解TCP/IP協(xié)議掌握VLAN的工作原理及配置掌握生成樹(shù)的工作原理及配置8重點(diǎn)：交換機(jī)復(fù)位及IP地址分配VLAN配置交換機(jī)RSTP環(huán)網(wǎng)配置難點(diǎn)：Tag和UTag的區(qū)別課堂講解操作演示實(shí)踐訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)4路由器及工業(yè)防火墻技術(shù)掌握路由器的原理及配置了解防火墻的原理及分類(lèi)了解工業(yè)防火墻技術(shù)掌握mGuard作為路由器的配置掌握mGuard作為防火墻的配置12重點(diǎn)：根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建防火墻規(guī)則使用規(guī)則記錄簡(jiǎn)化配置用戶(hù)防火墻的配置難點(diǎn)：根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建防火墻規(guī)則課堂講解操作演示實(shí)踐訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)5NAT技術(shù)了解NAT的原理掌握NAT的三種工作模式掌握NAT的配置與實(shí)現(xiàn)4重點(diǎn)：IP偽裝端口轉(zhuǎn)發(fā)1:1NAT難點(diǎn)：1:1NAT的應(yīng)用課堂講解操作演示實(shí)踐訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)合計(jì)32該課程采用線上線下混合教學(xué)方式，充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)支撐教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)。要求學(xué)生每次課前自學(xué)，并完成在線測(cè)驗(yàn)；課程講解后學(xué)生需要在線完成復(fù)習(xí)性作業(yè)，完成測(cè)驗(yàn)，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題并及時(shí)補(bǔ)課。課程包含自主學(xué)習(xí)部分，自主學(xué)習(xí)采用在線學(xué)習(xí)，結(jié)合學(xué)生自行查閱資料學(xué)習(xí)，通過(guò)自主學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解工業(yè)控制系統(tǒng)的安全架構(gòu)和相關(guān)設(shè)備，了解常用安全功能的工作原理。每個(gè)班級(jí)選出1-2名學(xué)生當(dāng)課代表，幫助教師做好教學(xué)管理和實(shí)驗(yàn)輔助工作。由課代表協(xié)調(diào)答疑時(shí)間和地點(diǎn)，在答疑的過(guò)程中收集學(xué)生對(duì)本次課的反饋信息，作為后續(xù)授課方法、思路調(diào)整的依據(jù)。課程在PLC基本操作、工業(yè)交換機(jī)、路由器和工業(yè)防火墻、NAT、VPN等環(huán)節(jié)安排實(shí)踐教學(xué)，要求學(xué)生完成指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并記錄實(shí)踐成績(jī)，計(jì)入總成績(jī)。四、實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目一：PLC基本操作（建議學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)）1.目的通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配備的菲尼克斯電氣公司的PLC、AIO/DIO模塊、PROFINET交換機(jī)和安全路由器和防火墻MGUARD等設(shè)備，構(gòu)建小型工業(yè)控制系統(tǒng)，使學(xué)生了解利用PLC進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)的方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制。2.內(nèi)容（1）PLC的網(wǎng)絡(luò)連接；（2）PLCnextEngineer的基本操作；（3）設(shè)置PLC的IP地址；（4）PLC跑馬燈程序。3.分組學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)4.設(shè)備工具電腦、PLC、AIO/DIO模塊、PLCnextEngineer軟件項(xiàng)目二：SMCS交換機(jī)配置（建議學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)）1.目的通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配備的菲尼克斯電氣公司的PLC、AIO/DIO模塊、PROFINET交換機(jī)和安全路由器和防火墻MGUARD等設(shè)備，構(gòu)建小型工業(yè)控制系統(tǒng)，使學(xué)生掌握工業(yè)交換機(jī)的相關(guān)配置。2.內(nèi)容（1）SMCS交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接；（2）交換機(jī)復(fù)位及IP地址分配；（3）配置交換機(jī)VLAN；（4）配置交換機(jī)RSTP。3.分組學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)4.設(shè)備工具電腦、PLC、AIO/DIO模塊、PLCnextEngineer軟件、PROFINET交換機(jī)和智能防火墻項(xiàng)目三：路由器和工業(yè)防火墻配置（建議學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)）1.目的通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配備的菲尼克斯電氣公司的PLC、AIO/DIO模塊、PROFINET交換機(jī)和安全路由器和防火墻MGUARD等設(shè)備，構(gòu)建小型工業(yè)控制系統(tǒng)，使學(xué)生掌握路由器和工業(yè)防火墻的相關(guān)配置。2.內(nèi)容（1）MGUARD的網(wǎng)絡(luò)連接；（2）MGUARD的基本配置；（3）路由器功能的配置；（4）根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建防火墻規(guī)則；（5）使用規(guī)則記錄簡(jiǎn)化配置；（6）使用用戶(hù)防火墻啟用對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。3.分組學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)4.設(shè)備工具電腦、PLC、AIO/DIO模塊、PLCnextEngineer軟件、PROFINET交換機(jī)和安全路由器和防火墻MGUARD項(xiàng)目四：NAT技術(shù)（建議學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)）1.目的通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配備的菲尼克斯電氣公司的PLC、AIO/DIO模塊、PROFINET交換機(jī)和安全路由器和防火墻MGUARD等設(shè)備，構(gòu)建小型工業(yè)控制系統(tǒng)，使學(xué)生掌握NAT的相關(guān)配置。2.內(nèi)容（1）MGUARD的網(wǎng)絡(luò)連接；（2）配置IP偽裝（3）配置端口轉(zhuǎn)發(fā)（4）配置1:1NAT3.分組學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)4.設(shè)備工具電腦、PLC、AIO/DIO模塊、PLCnextEngineer軟件、PROFINET交換機(jī)和安全路由器和防火墻MGUARD五、考核及成績(jī)?cè)u(píng)定方式1.考核方式：考查2.成績(jī)?cè)u(píng)定辦法（1）成績(jī)?cè)u(píng)定構(gòu)成：總成績(jī)=課堂表現(xiàn)×20%﹢自主學(xué)習(xí)×30%﹢實(shí)踐成績(jī)×50%（2）成績(jī)?cè)u(píng)定細(xì)則：課堂表現(xiàn)：主要考查學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度及職業(yè)規(guī)范，包括出勤、回答問(wèn)題的創(chuàng)新性意識(shí)、為同學(xué)服務(wù)的意識(shí)，以及學(xué)生的信息安全意識(shí)和遵紀(jì)守法意識(shí)等；自主學(xué)習(xí)：主要考查學(xué)生自主學(xué)習(xí)的工作量以及工作效果，學(xué)生在線完成教師布置的自主學(xué)習(xí)任務(wù)并完成相應(yīng)的測(cè)驗(yàn)、報(bào)告等；實(shí)踐成績(jī)：根據(jù)學(xué)生提交報(bào)告以及實(shí)踐過(guò)程中的表現(xiàn)確定成績(jī)。六、與其他課程的聯(lián)系1.先修課程及聯(lián)系先修課程主要有：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議分析基礎(chǔ)、工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。2.后續(xù)課程及聯(lián)系后續(xù)課程主要有：入侵檢測(cè)技術(shù)、PLC編程與安全防護(hù)。七、教材及參考資料1.推薦教材：廖旭金，王秀英，李穎等.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)與實(shí)踐[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，ISBN:978-7-5606-6515-3，2022年8月2.參考資料：[1]/online/portal/cn/（菲尼克斯電氣公司官網(wǎng)）mGuardConfigurationExamples-108392_en_00；[2]姚羽,祝烈煌等.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，ISBN: