工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP協(xié)議安全分析

田學(xué)成,徐英會(huì)

(1.蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.華北電力大學(xué)(保定) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071000)

1 EtherNet/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

1.1 EtherNet/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)和性能

EtherNet/IP(EtherNet/IP Industry Protocol)是由兩大組織ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)和ControlNet International于2001年正式推出的新的協(xié)議成員。使用通用工業(yè)協(xié)議(CIP)作為上層協(xié)議[1]，結(jié)合傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)議共同構(gòu)成EtherNet/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)[2]，該協(xié)議是基于CIP協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。EtherNet/IP協(xié)議有較好的互操作性能，而且數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)，傳輸速率高[3]。CIP協(xié)議獨(dú)立于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層之上，與設(shè)備介質(zhì)無(wú)關(guān)[2]，可以將其移植到高性能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上。CIP封裝協(xié)議的主要任務(wù)是定義和規(guī)范了如何封裝和傳輸上層協(xié)議的報(bào)文，以及如何管理和利用下層TCP/IP鏈接，起到承上啟下的作用[4]。EtherNet/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)遵循開放的OSI模型。圖1是EtherNet/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)圖。

圖1 EtherNet/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)

由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度的大幅度提升和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載通信時(shí)EtherNet/IP協(xié)議也能夠滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性和確定性的要求[3]。EtherNet/IP協(xié)議使用高效的數(shù)據(jù)傳輸模式——生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式(Producer/Consummer)[1-2]。端點(diǎn)之間的聯(lián)系不是通過(guò)具體的源和目的地址關(guān)聯(lián)起來(lái)，而是一個(gè)生產(chǎn)者可以對(duì)應(yīng)多個(gè)消費(fèi)者，使數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到了最優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)按照內(nèi)容將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，采用組播的方式同時(shí)發(fā)送到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)按照自己的需要通過(guò)標(biāo)識(shí)符來(lái)確定要接收的數(shù)據(jù)。避免了帶寬浪費(fèi)，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)提高了系統(tǒng)的通信效率。能夠很好地支持系統(tǒng)的控制、組態(tài)和數(shù)據(jù)采集，并且非實(shí)時(shí)性通信和實(shí)時(shí)性通信可以在同一子網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)[1]。但工業(yè)控制系統(tǒng)遭受越來(lái)越多的威脅，主要是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自身的缺陷引起的，EtherNet/IP協(xié)議也存在安全問題[5]，需要進(jìn)一步提高安全防護(hù)能力。

1.2 CIP報(bào)文傳輸方式

CIP協(xié)議報(bào)文傳輸方式有顯式報(bào)文和隱式報(bào)文傳輸兩種方式[4]。當(dāng)CIP協(xié)議嵌入U(xiǎn)DP協(xié)議用于發(fā)送隱式報(bào)文(Implicit(I/O)Message)。而CIP協(xié)議嵌入TCP協(xié)議用于發(fā)送顯式報(bào)文(Explicit Message)。兩種報(bào)文使用的封裝協(xié)議不同，傳輸?shù)南㈩愋鸵膊煌IP將應(yīng)用對(duì)象之間的通信關(guān)系抽象為連接，并與之相應(yīng)制定了對(duì)象邏輯規(guī)范，使CIP協(xié)議可以不依賴于某一具體的網(wǎng)路硬件技術(shù)，用邏輯來(lái)定義連接的關(guān)系，在通信之前先建立連接獲取唯一的標(biāo)識(shí)符(Connection ID，CID)，如果連接涉及雙向的數(shù)據(jù)傳輸，就要分配兩個(gè)CID。

顯式報(bào)文針對(duì)組態(tài)信息、設(shè)備配置、故障診斷等非實(shí)時(shí)性信息，其優(yōu)先級(jí)較低(包含解讀該報(bào)文所需要的信息)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)文在兩個(gè)對(duì)象之間以交互的方式進(jìn)行傳輸。報(bào)文本身攜帶有關(guān)地址、數(shù)據(jù)類型和功能描述等相關(guān)內(nèi)容，接收設(shè)備根據(jù)內(nèi)容做出相應(yīng)的處理，采用源/目的地址傳送方式。在通信之前通過(guò)TCP協(xié)議獲得標(biāo)識(shí)符CID，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸[1,4]。使用通信端口0XAF12f。圖2是CIP顯示報(bào)文連接。

圖2 顯示報(bào)文連接

隱式報(bào)文用于節(jié)點(diǎn)之間傳輸實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)互鎖，優(yōu)先級(jí)較高(隱式報(bào)文中不包含傳送地址、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)和功能描述內(nèi)容)，全部作為有效數(shù)據(jù)，傳輸效率高，在報(bào)文頭部有數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符，消費(fèi)者根據(jù)標(biāo)識(shí)符選擇自己需要的內(nèi)容，通過(guò)UDP協(xié)議將實(shí)時(shí)I/O消息傳送到總線上[1,4]。圖3是CIP隱式報(bào)文連接。

2 CIP通信安全

目前CIP協(xié)議仍然使用IETF標(biāo)準(zhǔn)TLS1.2(Transport Layer Security:RFC 5246)和DTLS1.2(Datagram Transport Layer Security:RFC 6347)協(xié)議版本保證顯示報(bào)文和隱式報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹4,6-7]。TLS協(xié)議安承擔(dān)著Internet上通信的安全，造成越來(lái)越多的威脅，目前TLS1.2存在很多已被證明的安全隱患[7-11]，TLS1.3(Transport Layer Security:RFC:8846)協(xié)議是2018年3月更新的最新版本，較之前的TLS1.2版本有較大的改變，修改了部分內(nèi)容，其安全性更高[6,13]，這為EtherNet/IP協(xié)議的安全帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和利益，因?yàn)槠鋺?yīng)用層CIP協(xié)議的安全性取決于TLS和DTLS協(xié)議安全保障能力。為了最大程度提高EtherNet/IP協(xié)議的安全性能，必須保證其應(yīng)用層協(xié)議CIP的安全性，所以最終在CIP協(xié)議中必須支持TLS1.3版本。TLS1.3在CIP協(xié)議中的支持預(yù)計(jì)要3～6年才能實(shí)現(xiàn)[6]，TLS協(xié)議在握手期間實(shí)現(xiàn)秘鑰建立和認(rèn)證，身份驗(yàn)證和秘鑰的建立很大程度上來(lái)說(shuō)對(duì)CIP層和EtherNet/IP是透明的。TLS協(xié)議保證在不安全的傳輸通道上使用加密確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。而DTLS協(xié)議是TLS轉(zhuǎn)換而來(lái)的，采用同TLS相同的設(shè)計(jì)方法，所以本文只對(duì)TLS協(xié)議進(jìn)行形式化分析。

TLS協(xié)議保障在TCP傳輸安全性，客戶端和服務(wù)端建立TCP連接之后，建立TLS會(huì)話，實(shí)現(xiàn)TLS握手和TLS記錄協(xié)議[11]。TLS協(xié)議由很多子協(xié)議組成，其中核心協(xié)議是記錄協(xié)議和握手協(xié)議，TLS握手協(xié)議負(fù)責(zé)身份驗(yàn)證和秘鑰建立(包括TLS版本確定和秘鑰交換以及后續(xù)使用的秘鑰算法)[12]，記錄協(xié)議通過(guò)使用客戶端和服務(wù)器協(xié)商后的秘鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，TLS記錄協(xié)議主要用來(lái)識(shí)別TLS中的消息類型[12](通過(guò)“Content Type”字段的數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別握手、警告或數(shù)據(jù))，以及每個(gè)消息的完整性保護(hù)和驗(yàn)證。圖4是TLS協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)端建立會(huì)話的初始配置過(guò)程。

CIP報(bào)文傳輸分為隱式報(bào)文傳輸和顯式報(bào)文傳輸，顯式報(bào)文使用TCP傳輸，在TCP之上的應(yīng)用可以使用TLS來(lái)保證傳輸信息的安全性。但是TLS并不能保證UDP的傳輸安全，DTLS是在TLS協(xié)議框架上擴(kuò)展出來(lái)的。其協(xié)議結(jié)構(gòu)基本上同TLS相同，在隱式報(bào)文傳輸中使用UDP協(xié)議，對(duì)使用UDP協(xié)議通信的傳輸使用DTLS協(xié)議進(jìn)行加密處理。TLS和DTLS層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 TLS協(xié)議形式化分析

3.1 Scyther性能簡(jiǎn)介

Scyther軟件是由牛津大學(xué)教授CAS CREMERS使用Python語(yǔ)言開發(fā)的一款功能很強(qiáng)的用于驗(yàn)證和表征安全協(xié)議的自動(dòng)化協(xié)議形式化分析工具，由于Python語(yǔ)言可以快速生成用戶界面，使用Python語(yǔ)言開發(fā)的軟件具有良好的人機(jī)交互界面，因此Scyther軟件具有可以對(duì)協(xié)議分析攻擊軌跡的輸出功能[16,17]，便于理解協(xié)議存在的漏洞。Scyther軟件的協(xié)議分析采用Athena算法[14]，使用該算法使得Scyther軟件可以支持多協(xié)議并行分析，該工具是安全協(xié)議形式化分析的最新技術(shù)，支持分析與時(shí)序相關(guān)的協(xié)議，同時(shí)可以尋找協(xié)議的多種攻擊，輸出協(xié)議角色執(zhí)行軌跡和攻擊圖。除此之外，Scyther軟件對(duì)無(wú)限會(huì)話和無(wú)限狀態(tài)集合的協(xié)議給出明確的終止，其中實(shí)現(xiàn)多協(xié)議的并行分析解決了傳統(tǒng)分析工具的狀態(tài)空間爆炸問題[18-20]，Scyther形式化分析工具內(nèi)置了Delov-Yao[21]模型和強(qiáng)安全模型，所以敵手的攻擊模式設(shè)置簡(jiǎn)單。并且在攻擊漏洞和攻擊誤報(bào)等性能方面也表現(xiàn)較好。

圖3 隱式報(bào)文連接

圖4 TLS會(huì)話初始化配置

圖5 EtherNet/IP在TLS和DTLS層上結(jié)構(gòu)

3.2 Scyther敵手模型和語(yǔ)義操作

強(qiáng)安全模型是通過(guò)敵手定義更強(qiáng)的攻擊能力，決定了敵手能力在完全掌握了通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，具備腐蝕化長(zhǎng)期私鑰和臨時(shí)秘鑰等能力[20]，Scythe可以通過(guò)敵手詢問組合的方式選擇安全模型，設(shè)置方便，并且有明確的終止。在強(qiáng)安全模型下可以同時(shí)添加會(huì)話秘鑰泄露、隨機(jī)數(shù)泄露、狀態(tài)泄露等。圖6是Scyther軟件敵手模型設(shè)置界面。

Scyther定義安全協(xié)議結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

Scyther使用SPDL[15]語(yǔ)言規(guī)定了一系列的操作語(yǔ)義和操作原語(yǔ)，基本的操作語(yǔ)義如表1所示。

3.3 對(duì)TLS協(xié)議形式化安全分析

對(duì)TLS1.2協(xié)議進(jìn)行形式化分析，本文采用Scyther- Compromise-0.9.2版本，運(yùn)行在Intel(R) Core(TM) i5-7400 CPU@ 3.00 GHz、操作系統(tǒng)是Linux kali 4.19.0-kali3-amd64、8 GB RAM的電腦上(賦予至少4 GB以上的內(nèi)存),具體的使用軟件及工具參見表2。

圖6 Scyther敵手模型設(shè)置界面

圖7 協(xié)議結(jié)構(gòu)

3.4 TLS協(xié)議會(huì)話形式化分析過(guò)程

首先使用Scyther工具的SPDL語(yǔ)言對(duì)TLS握手協(xié)議交互的過(guò)程進(jìn)行形式化的描述，分別在Delov-Yao模型和強(qiáng)安全模型下對(duì)該協(xié)議進(jìn)行形式化分析。SPDL語(yǔ)言對(duì)協(xié)議的描述是基于角色的，在定義了協(xié)議交互使用的變量之后，整個(gè)協(xié)議的交互過(guò)程通過(guò)參與協(xié)議每個(gè)主體發(fā)生的事件集合表示。其中send和recv事件表示該主體發(fā)送和接收消息的事件，目標(biāo)屬性的描述通過(guò)claim事件完成，利用claim事件可以對(duì)角色的認(rèn)證性、變量的機(jī)密性等進(jìn)行描述。Scyther-Compromise工具可以方便地更改協(xié)議分析的安全模型，該工具的敵手的攻擊分析能力可以通過(guò)選項(xiàng)的形式供用戶選擇。

表1 操作語(yǔ)義和安全屬性

表2 形式化分析軟件使用到的軟件支持

CIP協(xié)議嵌入到TCP報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)候，在實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)端身份認(rèn)證的時(shí)候，首先建立TLS會(huì)話，通過(guò)對(duì)協(xié)議版本、密碼算法和認(rèn)證方式以及公鑰加密技術(shù)的協(xié)商，進(jìn)入?yún)f(xié)議握手階段，圖8是TLS握手協(xié)議流程圖。

(1)客戶端首先發(fā)起請(qǐng)求，交換hello協(xié)商算法、隨機(jī)數(shù)、協(xié)議版本等信息。

圖8 TLS協(xié)議握手認(rèn)證過(guò)程

(2)交換必要的密碼學(xué)參數(shù)，客戶端和服務(wù)器生成預(yù)主秘鑰。

(3)雙方交換數(shù)字證書，客戶端驗(yàn)證服務(wù)端證書通過(guò)后取出證書中的公鑰。

(4)通過(guò)預(yù)主秘鑰和交換的隨機(jī)數(shù)生成主秘鑰。

(5)為之后的記錄層提供安全參數(shù)。

(6)秘鑰確認(rèn)，進(jìn)行通信。

根據(jù)TLS握手協(xié)議分析涉及的2個(gè)實(shí)體(Client、Server)，協(xié)議形式化定義2個(gè)角色a和b分別表示客戶端和服務(wù)器。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Scyther采用黑盒驗(yàn)證思想，每個(gè)角色從自身的角度判斷是否滿足安全目標(biāo)或者安全屬性，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)最初與用戶應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)Internet是分開的，像CIP、EtherNet/IP沒有考慮傳輸安全類問題，缺乏固有的安全機(jī)制。近些年研究人員公開報(bào)告了CIP和EtherNet/IP中許多漏洞，因?yàn)镋therNet/IP協(xié)議使用基于CIP的以太網(wǎng)協(xié)議，固然也存在安全隱患，圖9是Scyther-Compromise工具在Delov-Yao模型下對(duì)TLS握手協(xié)議的形式化分析輸出的攻擊路徑圖，圖10是在該模型下驗(yàn)證TLS握手協(xié)議秘鑰協(xié)商的機(jī)密性，結(jié)果顯示在該模型下不存在攻擊威脅。

圖9 協(xié)議攻擊路徑

圖10 在Delov-Yao模型下TLS協(xié)議分析結(jié)果

圖11是在Scyther-Compromise工具中通過(guò)添加選項(xiàng)長(zhǎng)期私鑰泄露、會(huì)話秘鑰泄露、隨機(jī)數(shù)泄露以及狀態(tài)泄露的強(qiáng)安全模式設(shè)置參數(shù)界面。圖12是在強(qiáng)安全模型下對(duì)TLS握手協(xié)議機(jī)密性驗(yàn)證，結(jié)果顯示存在至少4個(gè)攻擊，證明在強(qiáng)安全模型下，TLS握手協(xié)議不能保證秘鑰的機(jī)密性。

圖11 強(qiáng)安全模型設(shè)置

圖12 強(qiáng)安全模型下TLS協(xié)議分析結(jié)果

圖13是對(duì)應(yīng)強(qiáng)安全模型下，在修改了敵手攻擊能力后，讓敵手在完全掌握網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)期私鑰泄露詢問主體的長(zhǎng)期私鑰輸出的攻擊圖，說(shuō)明客戶端和服務(wù)端都不能保證秘鑰協(xié)商的機(jī)密性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信不再安全，所以在強(qiáng)安全模型下TLS握手協(xié)議秘鑰傳輸是不安全的。這也就導(dǎo)致了基于TLS安全協(xié)議的應(yīng)用層CIP協(xié)議在EtherNet/IP協(xié)議中是不安全的。

圖13 強(qiáng)安全模型下TLS協(xié)議攻擊輸出

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了EtherNet/IP協(xié)議的結(jié)構(gòu)和性能，其核心組成成員應(yīng)用層CIP協(xié)議的安全性取決于加密認(rèn)證協(xié)議TLS的安全保證能力，使用Scyther工具對(duì)TLS協(xié)議進(jìn)行形式化分析，設(shè)置敵手模型分別為Delov-Yao模型和強(qiáng)安全模型下進(jìn)行驗(yàn)證，從輸出的攻擊軌跡圖，證明在強(qiáng)安全模型下TLS協(xié)議存在長(zhǎng)期秘鑰泄露導(dǎo)致主體的長(zhǎng)期私鑰泄露的危險(xiǎn)。由于秘鑰傳輸過(guò)程中傳輸?shù)臋C(jī)密性取決于長(zhǎng)期私鑰的安全性。實(shí)驗(yàn)證明TLS握手協(xié)議在強(qiáng)安全模型下傳輸秘鑰不安全，TLS協(xié)議無(wú)法保證CIP協(xié)議通信的安全，導(dǎo)致了使用CIP作為EtherNet/IP協(xié)議的核心協(xié)議在應(yīng)用層的傳輸不夠安全。未來(lái)在EtherNet/IP協(xié)議嵌入TLS1.3版本的時(shí)候不得不重新考慮整體安全性。