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implementing-network-segmentation-for-ot

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github.com/mukul975セキュリティ35.2k43 回インストール8 週間前に更新
リポジトリ

implementing-network-segmentation-for-ot について

OT環境のネットワーク分割を設計・検証するためのスキルです。トラフィック分析を基に、ゾーンとコンジットの構成、VLAN、ファイアウォールルール、計画的な移行を案内します。

主な機能

  1. 01トラフィック基準に基づく設計
  2. 02Purdueレベル別のゾーン分割
  3. 03産業用VLANの設定
  4. 04ゾーン間通信の検証
  5. 05ロールバック計画

活用シーン

  1. 01ITとOTのネットワーク分離
  2. 02DMZによるOTの保護
  3. 03SISとBPCSの分離
  4. 04ファイアウォールのゾーンルール検証

インストール

コマンドをコピーしてターミナルで実行します。

$npx skills add https://github.com/mukul975/anthropic-cybersecurity-skills --skill implementing-network-segmentation-for-ot

インストール後、Claude Code で/implementing-network-segmentation-for-otを入力して読み込まれたか確認します。

同梱ファイル

SKILL.md と一緒にインストールされる参考資料やスクリプト。

LICENSE
references/
api-reference.md
scripts/
agent.py

詳細

OT のネットワークセグメンテーションの実装

使用するタイミング

  • OT セキュリティ評価で、Purdue レベル間にセグメンテーションのないフラットなネットワークが見つかった場合
  • リスク評価(IEC 62443-3-2)を完了した後に、IEC 62443 のゾーンとコンデュイットのアーキテクチャを実装する場合
  • IT/OT 融合のセキュリティ施策の一環として、IT ネットワークと OT ネットワークを分離する場合
  • IT から発生する脅威から産業用システムを保護するため、企業 IT と OT の間に DMZ を展開する場合
  • 安全計装システム(SIS)を基本プロセス制御システム(BPCS)から分離する場合

使用しないでください: OT コンポーネントを含まない IT のみのマイクロセグメンテーション(implementing-zero-trust-in-cloud を参照)、または事前のトラフィック分析なしに行う初期のゾーン設計(先に performing-ot-network-security-assessment を参照)。

前提条件

  • パッシブ監視による完全なトラフィックベースライン(最低 2〜4 週間のキャプチャデータ)
  • すべての OT デバイスについて Purdue レベルの分類を含む資産インベントリ
  • VLAN サポートとポートセキュリティを備えた産業用グレードのネットワークスイッチ
  • OT 対応ファイアウォール(Cisco ISA-3000、Fortinet FortiGate Rugged、OT Security 搭載の Palo Alto)
  • ネットワーク変更のためのメンテナンスウィンドウのスケジュール
  • 運用管理者が承認したロールバック計画

ワークフロー

ステップ 1: トラフィックベースラインに基づくセグメンテーションアーキテクチャの設計

トラフィックベースラインを使用して、正当な通信経路をすべて維持しつつ、ゾーンを分離する VLAN およびファイアウォールのアーキテクチャを設計します。

#!/usr/bin/env python3
"""OT Network Segmentation Design Tool.

Analyzes traffic baseline data and generates a segmentation design
with VLAN assignments, firewall rules, and migration plan.
"""

import json
import sys
from collections import defaultdict
from dataclasses import dataclass, field, asdict
from ipaddress import ip_address, ip_network


@dataclass
class VLANDesign:
    vlan_id: int
    name: str
    purdue_level: str
    subnet: str
    gateway: str
    description: str
    devices: list = field(default_factory=list)


@dataclass
class FirewallRule:
    rule_id: int
    source_zone: str
    source_ip: str
    dest_zone: str
    dest_ip: str
    protocol: str
    port: int
    action: str
    dpi_profile: str = ""
    comment: str = ""


class SegmentationDesigner:
    """Generates segmentation design from traffic baseline."""

    def __init__(self, baseline_file):
        with open(baseline_file) as f:
            self.baseline = json.load(f)
        self.vlans = []
        self.rules = []
        self.rule_counter = 1

    def design_vlans(self):
        """Create VLAN design based on Purdue levels."""
        self.vlans = [
            VLANDesign(10, "SIS-SAFETY", "Level 1 (Safety)",
                       "10.10.10.0/24", "10.10.10.1",
                       "Safety Instrumented Systems - air-gapped or hardware-isolated"),
            VLANDesign(20, "BPCS-FIELD", "Level 0-1 (Field/Control)",
                       "10.10.20.0/24", "10.10.20.1",
                       "PLCs, RTUs, I/O modules, field instruments"),
            VLANDesign(30, "BPCS-SUPERVISORY", "Level 2 (Supervisory)",
                       "10.10.30.0/24", "10.10.30.1",
                       "HMIs, engineering workstations, local historian"),
            VLANDesign(40, "SITE-OPS", "Level 3 (Operations)",
                       "10.10.40.0/24", "10.10.40.1",
                       "Site historian, OPC server, MES, alarm management"),
            VLANDesign(50, "OT-DMZ", "Level 3.5 (DMZ)",
                       "172.16.50.0/24", "172.16.50.1",
                       "Data diode, historian mirror, jump server, patch server"),
            VLANDesign(60, "ENTERPRISE", "Level 4 (Enterprise)",
                       "10.0.60.0/24", "10.0.60.1",
                       "Enterprise IT systems accessing OT data"),
            VLANDesign(999, "QUARANTINE", "Quarantine",
                       "10.10.99.0/24", "10.10.99.1",
                       "Quarantine VLAN for unauthorized or untrusted devices"),
        ]
        return self.vlans

    def generate_firewall_rules_from_baseline(self):
        """Generate firewall rules based on observed legitimate traffic."""
        self.rules = []

        # Default deny rules for each zone boundary
        zone_pairs = [
            ("Level 2", "Level 0-1"),
            ("Level 3", "Level 2"),
            ("Level 3.5", "Level 3"),
            ("Level 4", "Level 3.5"),
        ]

        # Generate allow rules from baseline observed traffic
        for flow in self.baseline.get("cross_zone_flows", []):
            self.rules.append(FirewallRule(
                rule_id=self.rule_counter,
                source_zone=flow["src_level"],
                source_ip=flow["src"],
                dest_zone=flow["dst_level"],
                dest_ip=flow["dst"],
                protocol=flow.get("protocol", "TCP"),
                port=flow.get("port", 0),
                action="ALLOW",
                dpi_profile=self._get_dpi_profile(flow.get("port", 0)),
                comment=f"Baseline observed: {flow['src']} -> {flow['dst']}",
            ))
            self.rule_counter += 1

        # Add default deny rules at the end of each zone ACL
        for src_zone, dst_zone in zone_pairs:
            self.rules.append(FirewallRule(
                rule_id=self.rule_counter,
                source_zone=src_zone,
                source_ip="any",
                dest_zone=dst_zone,
                dest_ip="any",
                protocol="any",
                port=0,
                action="DENY",
                comment=f"Default deny: {src_zone} -> {dst_zone}",
            ))
            self.rule_counter += 1

        return self.rules

    def _get_dpi_profile(self, port):
        """Return the appropriate DPI inspection profile for an OT protocol port."""
        dpi_profiles = {
            502: "modbus-inspect (allow read FC only from L3)",
            44818: "enip-inspect",
            4840: "opcua-inspect (require SignAndEncrypt)",
            102: "s7comm-inspect",
            20000: "dnp3-inspect",
        }
        return dpi_profiles.get(port, "none")

    def generate_migration_plan(self):
        """Generate phased migration plan for network segmentation."""
        plan = {
            "phase_1": {
                "name": "DMZ Implementation (Week 1-2)",
                "description": "Deploy DMZ between enterprise and OT networks",
                "steps": [
                    "Deploy DMZ firewall pair (inside and outside)",
                    "Migrate historian mirror to DMZ",
                    "Configure jump server in DMZ with MFA",
                    "Install data diode for unidirectional historian replication",
                    "Route enterprise-to-OT traffic through DMZ",
                    "Verify enterprise access to historian data via DMZ",
                ],
                "rollback": "Remove DMZ firewall rules, restore direct routing",
            },
            "phase_2": {
                "name": "L3/L2 Segmentation (Week 3-4)",
                "description": "Separate operations (L3) from control (L2) zones",
                "steps": [
                    "Create VLAN 30 and VLAN 40 on OT switches",
                    "Deploy industrial firewall between L2 and L3",
                    "Configure firewall in monitor mode (log only, no blocking)",
                    "Analyze logs for 1 week to validate rule completeness",
                    "Switch to enforcement mode during maintenance window",
                    "Validate all HMI-to-PLC and historian-to-PLC communications",
                ],
                "rollback": "Revert VLAN assignments, set firewall to permit-any",
            },
            "phase_3": {
                "name": "Field Device Isolation (Week 5-6)",
                "description": "Isolate Level 0-1 field devices from Level 2 supervisory",
                "steps": [
                    "Create VLAN 20 for PLCs and field instruments",
                    "Configure port security with MAC binding on PLC ports",
                    "Apply Modbus function code filtering (block writes from L3)",
                    "Test all control loops during maintenance window",
                    "Verify alarm propagation from field to HMI",
                ],
                "rollback": "Merge VLAN 20 back into VLAN 30",
            },
            "phase_4": {
                "name": "SIS Isolation (Week 7-8)",
                "description": "Fully isolate Safety Instrumented Systems",
                "steps": [
                    "Verify SIS is on dedicated VLAN 10 or air-gapped",
                    "Remove any network path between SIS and BPCS",
                    "Implement dedicated engineering workstation for SIS",
                    "Apply USB and removable media controls on SIS EWS",
                    "Test SIS functionality in isolation",
                ],
                "rollback": "N/A - SIS isolation should not be reversed",
            },
        }
        return plan

    def export_design(self, output_file):
        """Export complete segmentation design."""
        design = {
            "vlans": [asdict(v) for v in self.vlans],
            "firewall_rules": [asdict(r) for r in self.rules],
            "migration_plan": self.generate_migration_plan(),
        }

        with open(output_file, "w") as f:
            json.dump(design, f, indent=2)

        print(f"[*] Segmentation design exported to: {output_file}")
        print(f"    VLANs: {len(self.vlans)}")
        print(f"    Firewall Rules: {len(self.rules)}")

        return design


if __name__ == "__main__":
    if len(sys.argv) < 2:
        print("Usage: python segmentation_designer.py <baseline.json> [output.json]")
        sys.exit(1)

    designer = SegmentationDesigner(sys.argv[1])
    designer.design_vlans()
    designer.generate_firewall_rules_from_baseline()

    output = sys.argv[2] if len(sys.argv) > 2 else "segmentation_design.json"
    designer.export_design(output)
ステップ 2: 産業用スイッチの VLAN を設定する

産業用イーサネットスイッチに VLAN 設定を適用し、ポートセキュリティと未使用ポートの強化を行います。

# Cisco Industrial Ethernet 4000/5000 Series Configuration

# Create VLANs aligned with Purdue levels
vlan 10
  name SIS-SAFETY-L1
vlan 20
  name BPCS-FIELD-L01
vlan 30
  name BPCS-SUPERVISORY-L2
vlan 40
  name SITE-OPS-L3
vlan 50
  name OT-DMZ-L35
vlan 999
  name QUARANTINE

# PLC access ports with port security
interface range GigabitEthernet1/0/1-12
  description PLC Connections
  switchport mode access
  switchport access vlan 20
  switchport port-security
  switchport port-security maximum 1
  switchport port-security mac-address sticky
  switchport port-security violation shutdown
  storm-control broadcast level 10
  storm-control multicast level 10
  spanning-tree portfast
  spanning-tree bpduguard enable
  no cdp enable
  no lldp transmit
  no lldp receive

# HMI access ports
interface range GigabitEthernet1/0/13-18
  description HMI Stations
  switchport mode access
  switchport access vlan 30
  switchport port-security
  switchport port-security maximum 1
  switchport port-security mac-address sticky
  switchport port-security violation restrict
  spanning-tree portfast

# Trunk to zone firewall
interface TenGigabitEthernet1/0/1
  description Trunk to OT Zone Firewall
  switchport mode trunk
  switchport trunk allowed vlan 20,30,40,50
  switchport trunk native vlan 999
  switchport nonegotiate

# Disable and quarantine all unused ports
interface range GigabitEthernet1/0/19-48
  description UNUSED - Shutdown
  switchport mode access
  switchport access vlan 999
  shutdown
ステップ 3: セグメンテーションの有効性を検証する

実装後、セグメンテーションが不正なゾーン間トラフィックを正しくブロックし、正当な運用はすべて許可していることを検証します。

#!/usr/bin/env python3
"""OT Network Segmentation Validator.

Runs automated tests to verify zone isolation, firewall rules,
and protocol enforcement after segmentation deployment.
"""

import json
import socket
import subprocess
import sys
import time
from dataclasses import dataclass, asdict


@dataclass
class ValidationTest:
    test_id: str
    description: str
    source_zone: str
    target_ip: str
    target_port: int
    expected_result: str  # "blocked" or "allowed"
    actual_result: str = ""
    status: str = ""  # PASS or FAIL


class SegmentationValidator:
    """Validates OT network segmentation implementation."""

    def __init__(self):
        self.tests = []
        self.results = []

    def add_test(self, test):
        self.tests.append(test)

    def run_connectivity_test(self, target_ip, target_port, timeout=3):
        """Test TCP connectivity to target."""
        try:
            sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
            sock.settimeout(timeout)
            result = sock.connect_ex((target_ip, target_port))
            sock.close()
            return "reachable" if result == 0 else "blocked"
        except (socket.timeout, ConnectionRefusedError):
            return "blocked"
        except Exception:
            return "error"

    def run_all_tests(self):
        """Execute all segmentation validation tests."""
        print("=" * 60)
        print("OT SEGMENTATION VALIDATION")
        print("=" * 60)

        passed = 0
        failed = 0

        for test in self.tests:
            actual = self.run_connectivity_test(test.target_ip, test.target_port)
            test.actual_result = actual

            if actual == test.expected_result:
                test.status = "PASS"
                passed += 1
            else:
                test.status = "FAIL"
                failed += 1

            icon = "[+]" if test.status == "PASS" else "[-]"
            print(f"  {icon} {test.test_id}: {test.description}")
            print(f"      Target: {test.target_ip}:{test.target_port}")
            print(f"      Expected: {test.expected_result} | Actual: {actual} -> {test.status}")

        print(f"\n  Results: {passed} passed, {failed} failed out of {len(self.tests)} tests")
        return {"passed": passed, "failed": failed, "total": len(self.tests)}


if __name__ == "__main__":
    validator = SegmentationValidator()

    # Tests from Enterprise zone (Level 4) - should be blocked from OT
    validator.add_test(ValidationTest(
        "SEG-001", "Enterprise cannot reach PLCs via Modbus",
        "Level 4", "10.10.20.10", 502, "blocked"))
    validator.add_test(ValidationTest(
        "SEG-002", "Enterprise cannot reach PLCs via EtherNet/IP",
        "Level 4", "10.10.20.10", 44818, "blocked"))
    validator.add_test(ValidationTest(
        "SEG-003", "Enterprise can reach DMZ jump server",
        "Level 4", "172.16.50.10", 3389, "allowed"))
    validator.add_test(ValidationTest(
        "SEG-004", "Enterprise can reach DMZ historian mirror",
        "Level 4", "172.16.50.20", 443, "allowed"))

    # Tests from Operations zone (Level 3) - limited access to control
    validator.add_test(ValidationTest(
        "SEG-005", "Operations can read from PLCs via Modbus",
        "Level 3", "10.10.20.10", 502, "allowed"))
    validator.add_test(ValidationTest(
        "SEG-006", "Operations cannot reach SIS controllers",
        "Level 3", "10.10.10.10", 1502, "blocked"))

    validator.run_all_tests()

主要な概念

用語定義
VLANVirtual Local Area Network - 共有スイッチ基盤上で OT ゾーンを分離するために使用される、レイヤー 2 のブロードキャストドメインの分離
産業用ファイアウォール産業用プロトコル(Modbus、DNP3、EtherNet/IP、OPC UA)向けのディープパケットインスペクション機能を備えたファイアウォール
データダイオード逆方向のデータフローを物理的に防止するハードウェアで強制される一方向ゲートウェイ。OT 運用と DMZ の間で使用される
ポートセキュリティポートに登録できる MAC アドレス数を制限し、割り当てをロックすることで、不正なデバイス接続を防止するスイッチの機能
トランクポート802.1Q タグ付けを使用して複数の VLAN を運ぶスイッチポート。ゾーン境界をまたいでスイッチやファイアウォールを接続するために使用される
DMZ企業 IT と OT の間の非武装地帯 - すべてのドメイン間トラフィックが終端され、検査されるバッファゾーン

ツールとシステム

  • Cisco ISA-3000: Modbus、DNP3、EtherNet/IP のディープパケットインスペクションに対応した、OT ゾーンファイアウォール用の産業用セキュリティアプライアンス
  • Fortinet FortiGate Rugged Series: OT プロトコルサポートと産業環境認証を備えた堅牢化 NGFW
  • Waterfall Security Unidirectional Gateway: OT から IT への一方向のデータフローを強制するためのハードウェアデータダイオード
  • Cisco Industrial Ethernet Switches: VLAN、ポートセキュリティ、産業用プロトコルサポートを備えたマネージドスイッチ

出力形式

OT Network Segmentation Report
================================
Implementation Date: YYYY-MM-DD

VLAN ARCHITECTURE:
  VLAN [ID] - [Name] ([Purdue Level])
    Subnet: [subnet/mask]
    Devices: [count]

FIREWALL RULES:
  [Zone A] -> [Zone B]: [allow/deny count]

VALIDATION RESULTS:
  Tests Passed: [N]/[Total]
  Critical Failures: [N]

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