工控設(shè)備通信協(xié)議安全測(cè)試技術(shù)研究

曾紀(jì)鈞，吳勤勤，吳一陽

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，廣東 廣州　510000；2. 中國南方電網(wǎng)公司信息化評(píng)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州　510000；3. 廣州粵能信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州　510000）

0　引言

目前，網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為了國家、企業(yè)以及公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。2012年，黨的十八大提出建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，將網(wǎng)絡(luò)安全納入國家安全的組成部分；2016年4月19日，習(xí)近平總書記在網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作座談會(huì)上要求加快構(gòu)建關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保障體系[1]。2016年11月7日，全國人大審議通過《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》，以法律形式明確規(guī)定了關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營者應(yīng)當(dāng)履行網(wǎng)絡(luò)安全的責(zé)任和義務(wù)[2]。關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施是指面向公眾提供網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)或支撐能源、通信、金融、交通、公用事業(yè)等重要行業(yè)運(yùn)行的信息系統(tǒng)或工業(yè)控制系統(tǒng)，包括網(wǎng)站類、平臺(tái)類、生產(chǎn)業(yè)務(wù)類等[3,4]。

在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全一直被外界所忽視，行業(yè)普遍認(rèn)為工業(yè)控制系統(tǒng)部署在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，可讓其免于網(wǎng)絡(luò)攻擊，然而隨著智能制造、智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的開放通用協(xié)議被引入至工業(yè)控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)獨(dú)立分散的網(wǎng)絡(luò)已融合為深度關(guān)聯(lián)、高度依賴的整體[5]。

工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)正在呈現(xiàn)愈發(fā)嚴(yán)重之勢(shì)。典型的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全事件包括：2010年，震網(wǎng)病毒利用西門子工控軟件漏洞攻擊伊朗核設(shè)施，導(dǎo)致核電站設(shè)施大范圍損毀，第一次讓公眾認(rèn)識(shí)到工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的脆弱性[6]；2016年，Black Energy病毒入侵烏克蘭國家電網(wǎng)，導(dǎo)致伊萬諾-弗蘭科夫斯克地區(qū)大面積停電6小時(shí)[7]。

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其網(wǎng)絡(luò)安全也是工業(yè)控制系統(tǒng)安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容。本文開展了工業(yè)控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議安全測(cè)試技術(shù)的研究。通信協(xié)議安全測(cè)試技術(shù)是一種自動(dòng)化的漏洞挖掘技術(shù)，其測(cè)試思想在于向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送異常非預(yù)期的數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)視設(shè)備的異常結(jié)果來達(dá)到挖掘設(shè)備漏洞的目的[8,9]。目前，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于挖掘文件格式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和第三方插件的漏洞[10,11]。

本文重點(diǎn)研究了工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議的安全測(cè)試技術(shù)，論文首先提出了工控設(shè)備通信協(xié)議安全測(cè)試的框架，其次給出了系統(tǒng)各功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)踐結(jié)果表明，該種測(cè)試方法能有效檢測(cè)設(shè)備通信協(xié)議的健壯性，挖掘工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議的漏洞。

1　安全測(cè)試框架

通信協(xié)議安全測(cè)試系統(tǒng)分為管理平臺(tái)模塊、端口掃描模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)生成模塊、監(jiān)視模塊等4大模塊[13]，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖所示：

圖1　協(xié)議安全測(cè)試系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1　The architecture of the communication protocol security testing system

管理平臺(tái)模塊負(fù)責(zé)接收用戶的指令，負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行配置以及管理；主機(jī)掃描模塊用來測(cè)試被測(cè)設(shè)備存活性、開放的端口服務(wù)、操作系統(tǒng)指紋信息等；測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生引擎負(fù)責(zé)生成通信協(xié)議測(cè)試數(shù)據(jù)；設(shè)備監(jiān)視模塊負(fù)責(zé)對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)視。

通信協(xié)議安全測(cè)試系統(tǒng)支持2種方式的測(cè)試模式，如下圖2所示。

圖2　通信協(xié)議安全測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試模式Fig.2　The test mode of the communication protocol security testing system

（1）直連模式：測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)設(shè)備直連進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)被測(cè)設(shè)備開發(fā)的通信端口，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議測(cè)試；

（2）橋接模式：測(cè)試系統(tǒng)橋接到被測(cè)設(shè)備和上位機(jī)之間，充當(dāng)上位機(jī)與被測(cè)設(shè)備的通信中繼，自動(dòng)進(jìn)行通信協(xié)議測(cè)試[14]。

在測(cè)試流程上，通信協(xié)議安全測(cè)試的流程包括5大步驟[15]

1. 獲取被測(cè)電網(wǎng)嵌入式設(shè)備IP地址；

2. 對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行主機(jī)掃描，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的操作系統(tǒng)版本、端口號(hào)、軟件版本等指紋信息；

3. 根據(jù)設(shè)備的操作系統(tǒng)及軟件版本，生成測(cè)試數(shù)據(jù)，并發(fā)送給被測(cè)設(shè)備；

4. 監(jiān)視被測(cè)設(shè)備在測(cè)試過程中是否出現(xiàn)異常；

5. 生成測(cè)試報(bào)告。

2　主機(jī)掃描模塊設(shè)計(jì)

主機(jī)掃描模塊用來測(cè)試被測(cè)設(shè)備存活性、開放的端口服務(wù)、操作系統(tǒng)指紋信息、軟件版本信息等，調(diào)度模塊在收到管理平臺(tái)的主機(jī)掃描請(qǐng)求之后，分別執(zhí)行設(shè)備存活性掃描、端口掃描、操作系統(tǒng)指紋信息掃描等步驟，并將測(cè)試結(jié)果和系統(tǒng)內(nèi)置的軟件版本信息比對(duì)，最終將測(cè)試結(jié)果返回給調(diào)度模塊。其中，端口掃描功能可以設(shè)置掃描的協(xié)議類型，端口范圍和掃描目標(biāo)IP范圍，操作系統(tǒng)掃描功能可以支持 Windows、Linux、UNIX、VxWorks等操作系統(tǒng)類型。主機(jī)掃描模塊的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理流程如下圖所示。

圖3　主機(jī)掃描模塊的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3　Business data processing flow of the host scan module

3　測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生引擎

工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括 Modbus、Profinet、MMS、GOOSE、DNP3、IEC101、IEC102、IEC104、ARP、ETHER、LLDP、ICMP、IGMP、IP、TCP、UDP等。測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生引擎根據(jù)需要測(cè)試的協(xié)議類型生成對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備通信協(xié)議的安全測(cè)試[16,17]。

我們以 ARP語法測(cè)試為例來說明測(cè)試數(shù)據(jù)的生成過程。測(cè)試數(shù)據(jù)的生成需要考慮2種因素，1）數(shù)據(jù)包大?。?）數(shù)據(jù)報(bào)文字段。

ARP的報(bào)文格式有標(biāo)準(zhǔn)的定義，主要包括硬件類型、協(xié)議類型、硬件地址長(zhǎng)度、協(xié)議地址長(zhǎng)度、操作類型、源MAC、源IP、目的MAC、目的IP等字段。根據(jù)ARP協(xié)議，這些字段都有一個(gè)或幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，例如操作類型是指表示這個(gè)報(bào)文的類型，ARP請(qǐng)求為1，ARP響應(yīng)為2，RARP請(qǐng)求為3，RARP響應(yīng)為4。在進(jìn)行ARP語法測(cè)試時(shí)，主要對(duì)上述的各個(gè)字段進(jìn)行變化，我們會(huì)對(duì)這些字段填充錯(cuò)誤的值，以觀測(cè)被測(cè)設(shè)備的相應(yīng)。另一方面，以太網(wǎng)最小幀為 64B，最大幀長(zhǎng)為 1518B，生成的測(cè)試數(shù)據(jù)包需在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包大小之內(nèi)。最終生成的文件中的數(shù)據(jù)包形式如下圖所示。

圖4　測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生引擎生成的數(shù)據(jù)包保存模式Fig.4　The packet save mode of the data generation engine

根據(jù) ARP協(xié)議的測(cè)試數(shù)據(jù)生成過程可以推演到其它TCP/IP協(xié)議，從而完成所有TCP/IP協(xié)議的測(cè)試數(shù)據(jù)生成。

4　設(shè)備監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)

設(shè)備監(jiān)視模塊可以通過設(shè)備存活監(jiān)視以及設(shè)備輸出監(jiān)視等方式監(jiān)視測(cè)試過程是否對(duì)被測(cè)設(shè)備的協(xié)議棧、控制邏輯、系統(tǒng)運(yùn)行等造成影響。常見的設(shè)備存活監(jiān)視方式包括 ARP、ICMP、TCP等協(xié)議。邏輯監(jiān)視子模塊通過被測(cè)設(shè)備的邏輯輸出實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視[18-19]。

4.1　設(shè)備存活監(jiān)視

設(shè)備存活監(jiān)視可通過ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP/UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

（1）ARP協(xié)議：測(cè)試設(shè)備發(fā)送ARP廣播包，通過被測(cè)設(shè)備是否回 ARP包來監(jiān)視被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其數(shù)據(jù)處理流程如下圖所示：

圖5　ARP監(jiān)視器的數(shù)據(jù)處理流程Fig.5　The data processing process for the ARP monitor

（2）ICMP協(xié)議：通過周期性的ICMP掃描來監(jiān)視被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其數(shù)據(jù)處理流程如下圖所示：

圖6　ICMP監(jiān)視器的數(shù)據(jù)處理流程Fig.6　The Data processing process for the ICMP monitor

（3）TCP/UDP協(xié)議：通過TCP端口以及UDP端口響應(yīng)情況監(jiān)測(cè)被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[20]，其數(shù)據(jù)處理流程如下圖所示：

圖7　端口監(jiān)視器的數(shù)據(jù)處理流程Fig.7　The data processing flow of the port monitor

4.2　邏輯監(jiān)視

邏輯監(jiān)視通過對(duì)被測(cè)設(shè)備的輸出進(jìn)行采集，對(duì)比被測(cè)設(shè)備的邏輯輸出判斷被測(cè)設(shè)備是否出現(xiàn)異常[21]，其數(shù)據(jù)處理流程如下圖所示：

圖8　邏輯監(jiān)視器數(shù)據(jù)處理流程Fig.8　The data processing process for the logical monitor

5　結(jié)論

本文針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)安全問題，設(shè)計(jì)了一種通信協(xié)議安全測(cè)試系統(tǒng)，并研究提出了系統(tǒng)各功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示：該種協(xié)議測(cè)試方法能有效檢測(cè)設(shè)備通信協(xié)議的健壯性，挖掘工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議的漏洞，對(duì)保障工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的安全性具有重要意義。