Modbus TCP 安全協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)

羅 旋 李永忠

（江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，鎮(zhèn)江，212003）

引 言

針對(duì)Modbus TCP協(xié)議存在的安全問題，不少學(xué)者做了相關(guān)研究，如高棟梁[1]以netfilter為框架，設(shè)計(jì)了一個(gè)Modbus TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān)防火墻；Shang等[2]基于Linux平臺(tái)，使用iptable工具設(shè)計(jì)了一個(gè)工業(yè)防火墻。但是二者并未對(duì)傳輸數(shù)據(jù)做加密處理，不能保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，其次無法防止重放攻擊。尚文利等[3]提出了一種基于統(tǒng)計(jì)分析的日志規(guī)則自學(xué)習(xí)算法，動(dòng)態(tài)生成并更新規(guī)則；呂雪峰等[4]利用snort設(shè)計(jì)了基于協(xié)議缺陷和系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)規(guī)則，當(dāng)測(cè)量值匹配規(guī)則時(shí)，觸發(fā)告警。這二者提出的方法對(duì)規(guī)則精度的設(shè)定具有極高的要求，一旦精度設(shè)置過大或過小，都會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)效果。Fovino等[5]通過添加哈希鏈字段并作簽名的方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性與可認(rèn)證性，但仍存在功能碼的濫用問題。

針對(duì)上述文獻(xiàn)中存在的問題，本文基于功能碼管理、數(shù)據(jù)傳輸以及可行性等問題對(duì)Modbus協(xié)議作了深入研究。以原Modbus協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種安全的工控系統(tǒng)通信協(xié)議——Modbus-S協(xié)議。該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)通信雙方的雙向認(rèn)證，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整性以及唯一性。該協(xié)議對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)字段進(jìn)行加密，同時(shí)還可對(duì)功能碼進(jìn)行管理，從而全面提升工控通信的安全。

1 Modbus TCP協(xié)議

1.1 Modbus TCP協(xié)議介紹

Modbus TCP協(xié)議工作在TCP/IP模型的應(yīng)用層，采用主從通訊模式，Modbus的主站可以與從站采用一對(duì)一或多對(duì)多方式進(jìn)行通訊，其報(bào)文格式[6]如圖1所示。

圖1 Modbus TCP的報(bào)文格式Fig.1 Message format for Modbus TCP

1.2 Modbus TCP安全性分析

Modbus TCP協(xié)議由Modbus協(xié)議與TCP/IP融合而成，不僅未能解決原Modbus協(xié)議設(shè)計(jì)存在的安全隱患，甚至還引入了TCP/IP協(xié)議的安全缺陷[7]，如：

（1）缺乏認(rèn)證機(jī)制[8]。任意客戶端只要與服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)互通，并可對(duì)服務(wù)器端發(fā)送指令。攻擊者只需接入網(wǎng)絡(luò)中，便可對(duì)服務(wù)器發(fā)送惡意指令。

（2）無權(quán)限管理[9]。所有用戶均擁有相同權(quán)限，可執(zhí)行任意指令，如誤操作發(fā)送了重啟或關(guān)機(jī)等高危命令，服務(wù)器端仍能正常響應(yīng)。

（3）數(shù)據(jù)篡改。攻擊者可以通過截獲數(shù)據(jù)包，并篡改相應(yīng)字段，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊。

（4）數(shù)據(jù)明文傳輸。Modbus TCP協(xié)議以明文方式傳輸數(shù)據(jù)，一些敏感信息很容易被攻擊者獲取，攻擊者可以通過收集相關(guān)信息為將來攻擊系統(tǒng)作準(zhǔn)備[10]。

（5）重放攻擊。Modbus TCP缺乏防重放機(jī)制，攻擊者可以反復(fù)發(fā)送截獲的數(shù)據(jù)包，從而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 Modbus-S協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 Modbus-S協(xié)議格式

Modbus-S協(xié)議以原Modbus TCP協(xié)議為基礎(chǔ)，通過添加相應(yīng)字段，實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)的通信安全。其協(xié)議格式如圖2所示。

2.2 同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)原理

通過利用哈希算法的單向性原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，其實(shí)現(xiàn)原理如下所示：

（1）首先取兩個(gè)隨機(jī)數(shù)依次作為種子ai,1和安全因子bi，每一對(duì)通信對(duì)象都擁有對(duì)應(yīng)的種子與安全因子，i為其編號(hào)。Vi,1為（ai,1+bi）進(jìn)行哈希計(jì)算的值，F(xiàn)(x)的值則為x的首個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其作為同步標(biāo)識(shí)字段Syni,1的值。

圖2 Modbus-S協(xié)議格式Fig.2 Modbus-S protocol format

（2）若同步標(biāo)識(shí)匹配成功后，則將當(dāng)前哈希值與安全因子進(jìn)行異或運(yùn)算，然后求其哈希值，得到Vi,2，同時(shí)取其首字節(jié)作為Syni,2。

（3）為防止攻擊者發(fā)送具有相同同步標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)包，破壞同步性，需要重復(fù)步驟（2）操作以確保每次在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐綐?biāo)識(shí)均不相同。得到Vi,3和Syni,3，將Syni,3作為下次發(fā)送的同步標(biāo)識(shí)碼。

（4）使用相同方法得到每次通信的同步標(biāo)識(shí)碼。

通信雙方通過匹配同步標(biāo)識(shí)碼，確定數(shù)據(jù)的唯一性。由于哈希算法的單向性，攻擊者截獲數(shù)據(jù)包，無法構(gòu)造下一次發(fā)送的同步標(biāo)識(shí)碼。同時(shí)有安全因子的加入，以及數(shù)據(jù)包中不含有完整的哈希值，這也極大地提升了同步標(biāo)識(shí)的安全性。

2.3 功能碼管理機(jī)制

通過設(shè)定“白名單”過濾規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)功能碼的有效管理，其規(guī)則模型[11]如圖3所示。

“白名單”過濾規(guī)則以Level,IP地址、設(shè)備ID以及功能碼作為過濾對(duì)象。Level字段的值用于進(jìn)行角色劃分，如root,admin和monitor。root權(quán)限最高，可執(zhí)行任意指令；admin的權(quán)限次于root，只擁有線圈與寄存器值的讀寫權(quán)限；monitor的權(quán)限最低，只可監(jiān)視線圈或寄存器狀態(tài)。多個(gè)用戶也可以設(shè)置相同的權(quán)限等級(jí)，另外通過綁定MAC地址可以防止ARP攻擊，提升網(wǎng)絡(luò)的安全性。采用結(jié)構(gòu)體數(shù)組方式存儲(chǔ)“白名單”列表。每一條“白名單”規(guī)則對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其參數(shù)由用戶事先設(shè)定。

圖3 “白名單”規(guī)則模型Fig.3 Rule model of"white list"

3 Modbus-S協(xié)議系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Modbus-S協(xié)議系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

Modbus-S協(xié)議系統(tǒng)通過自己開發(fā)的一對(duì)通信軟件Modbus-S client/server實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全通信，以負(fù)責(zé)Modbus TCP與Modbus-S之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 Modbus-S協(xié)議系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理Fig.4 Implementation principle of Modbus-S protocol system

3.2 Modbus-S協(xié)議數(shù)據(jù)處理過程

Modbus-S協(xié)議的數(shù)據(jù)處理由Modbus-S client與Modbus-S server實(shí)現(xiàn)，其處理過程為：

（1）Modbus client發(fā)送Modbus請(qǐng)求包（Mreq）；

（2）Modbus-S client接收到 Mreq，按照式(5，6)構(gòu)造 Modbus-S請(qǐng)求包 C，并發(fā)送給 Modbus-S server端，其中各字段含義如下所示。

Syn：同步標(biāo)識(shí)；Level：權(quán)限等級(jí)；TID：傳輸標(biāo)識(shí)；PID：協(xié)議標(biāo)識(shí)；L：長(zhǎng)度；UID：?jiǎn)卧獦?biāo)識(shí)；Lt：加密后的 PDU總長(zhǎng)度；En：對(duì)稱密鑰；Pri：私鑰。

（3）Modbus-S server接收到請(qǐng)求包C后，首先計(jì)算本地的同步標(biāo)識(shí)碼，將其與請(qǐng)求包中的同步標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行匹配，若匹配成功則進(jìn)行簽名認(rèn)證，其次再進(jìn)行“白名單”粗過濾，即匹配Level，IP與設(shè)備ID字段的值。然后再對(duì)PDU進(jìn)行解密，最后進(jìn)行“白名單”細(xì)過濾，即匹配Level,IP,設(shè)備ID與功能碼的值。返回其結(jié)果True或False。

（4）只有當(dāng)匹配結(jié)果為True時(shí)，才會(huì)構(gòu)造原始請(qǐng)求包Mreq并轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄并告警。

（5）服務(wù)器端的響應(yīng)包采用相同方法進(jìn)行處理。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)以4臺(tái)虛擬機(jī)與本地主機(jī)為環(huán)境，虛擬機(jī)與本地主機(jī)均為windows 7系統(tǒng)，使用Modbus poll/slave分別模擬Modbus TCP客戶端與服務(wù)器端，使用自己開發(fā)的Modbus-S client/server分別模擬Modbus-S客戶端與服務(wù)器端。虛擬機(jī)模擬Client端，本地主機(jī)模擬服務(wù)器端。其中3臺(tái)虛擬機(jī)安裝有Modbus poll與Modbus-S client。本地主機(jī)安裝有Modbus slave與Modbus-S server。其中PC1,PC2,PC3均加入“白名單”列表，權(quán)限等級(jí)依次為100,50,10。其實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖Fig.5 Experimental environment diagram

4.2 Modbus-S竊聽攻擊測(cè)試

實(shí)驗(yàn)使用Wireshark抓取Modbus-S協(xié)議正常通信時(shí)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。圖6為Modbus-S請(qǐng)求包的ADU數(shù)據(jù)，圖7為Modbus-S響應(yīng)數(shù)據(jù)包ADU數(shù)據(jù)，由圖可知數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字段已被加密，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。

圖6 Modbus-S請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的ADU數(shù)據(jù)Fig.6 ADU data of Modbus-S request packet

圖7 Modbus-S響應(yīng)數(shù)據(jù)包的ADU數(shù)據(jù)Fig.7 ADU data of Modbus-S response packet

4.3 “白名單”過濾測(cè)試

表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的“白名單”列表，表2為測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)包如圖8所示，圖9顯示了告警日志。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知“白名單”過濾方法可以有效地實(shí)現(xiàn)非法指令的過濾。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試“白名單”列表Tab.1 "White list"of experimental test

表2 “白名單”實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of"white list"test

圖8 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)包Fig.8 Data communication packet

圖9 Modbus-S server端告警記錄Fig.9 Alarm record of Modbus-S server

4.4 Modbus-S時(shí)間性能分析

實(shí)驗(yàn)以使用最廣泛的信息摘要算法5（Message digest algorithm 5,MD5)、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced encryption standard,AES)算法以及非對(duì)稱加密（Rivest-Shamir-Adleman,RSA)數(shù)字簽名算法進(jìn)行分析。通過wireshark抓取通信鏈路的數(shù)據(jù)包，通過計(jì)算響應(yīng)包與請(qǐng)求包的數(shù)據(jù)差值得到如圖10所示的時(shí)間對(duì)比圖。該圖反映了Modbus-S協(xié)議進(jìn)行一次通信所消耗的時(shí)間。通過對(duì)比圖可知Modbus-S的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間比Modbus TCP協(xié)議增加8ms左右，比文獻(xiàn)[5]增加2ms左右。與提高安全性相比，這種差異可以忽略不計(jì)。

圖10 Modbus-S數(shù)據(jù)包構(gòu)造與解析時(shí)間對(duì)比圖Fig.10 Time comparison chart of Modbus-S data packet construction and parsing

5 結(jié)束語

針對(duì)Modbus TCP協(xié)議存在的安全問題，本文通過開發(fā)一對(duì)通信軟件并設(shè)計(jì)安全的通信協(xié)議Modbus-S，實(shí)現(xiàn)了Modbus TPC協(xié)議的安全加固。由于原客戶端通常為計(jì)算機(jī)，可直接部署相應(yīng)軟件處理數(shù)據(jù)，而服務(wù)器端通常為安全網(wǎng)關(guān)，需要借助其他終端部署對(duì)應(yīng)軟件。為降低實(shí)施成本，還需研究相應(yīng)的硬件模塊，這將是下一步需要研究的方向。