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[11820] 2017-09-24_工业控制系统安全之——Modbus学习笔记

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2017-09-24_工业控制系统安全之——Modbus学习笔记 工 业 控 制 系 统 安 全 之 — — M o d b u s 学 习 笔 记 r y e _   F r e e B u f   2 0 1 7 - 0 9 - 2 4 O 、 、 术 语 术 语 1   w o r d   = 2   b y t e ; 1   b y t e   = 8   b i t . 校 验 码 校 验 码 ： 校 验 码 是 由 前 面 的 数 据 通 过 某 种 算 法 得 出 的 ， 用 以 检 验 该 组 数 据 的 正 确 性 。 代 码 作 为 数 据 在 向 计 算 机 或 其 它 设 备 进 行 输 入 时 ， 容 易 产 生 输 入 错 误 ， 为 了 减 少 这 种 输 入 错 误 ， 编 码 专 家 发 明 了 各 种 校 验 检 错 方 法 ， 并 依 据 这 些 方 法 设 置 了 校 验 码 。 常 用 的 校 验 有 ： 累 加 和 校 验 S U M 、 字 节 异 或 校 验 X O R 、 纵 向 冗 余 校 验 L R C 、 循 环 冗 余 校 验 C R C … … 离 散 量 输 入 离 散 量 输 入 ： 主 要 用 来 读 取 单 个 位 的 数 据 ， 如 I O 的 状 态 ； 线 圈 线 圈 ： 开 关 输 出 信 号 ， 主 要 用 来 写 入 单 个 位 的 数 据 ， 与 离 散 量 构 成 组 成 对 位 的 操 作 ； 输 入 寄 存 器 输 入 寄 存 器 ： 主 要 用 来 读 取 1 6 位 ， 也 就 是 两 个 字 节 的 数 据 ； 保 持 寄 存 器 保 持 寄 存 器 ： 主 要 用 来 写 入 1 6 位 的 数 据 。 P L C ： 可 编 程 逻 辑 控 制 器 ， 是 一 种 采 用 一 类 可 编 程 的 存 储 器 ， 用 于 其 内 部 存 储 程 序 ， 执 行 逻 辑 运 算 、 顺 序 控 制 、 定 时 、 计 数 与 算 术 操 作 等 面 向 用 户 的 指 令 ， 并 通 过 数 字 或 模 拟 式 输 入 / 输 出 控 制 各 种 类 型 的 机 械 或 生 产 过 程 。 串 口 通 信 串 口 通 信 ： 随 着 计 算 机 系 统 的 应 用 和 微 机 网 络 的 发 展 ， 通 信 功 能 越 来 越 显 得 重 要 . 这 里 所 说 的 通 信 是 指 计 算 机 与 外 界 的 信 息 交 换 . 因 此 ， 通 信 既 包 括 计 算 机 与 外 部 设 备 之 间 ， 也 包 括 计 算 机 和 计 算 机 之 间 的 信 息 交 换 . 由 于 串 行 通 信 是 在 一 根 传 输 线 上 一 位 一 位 的 传 送 信 息 ， 所 用 的 传 输 线 少 ， 并 且 可 以 借 助 现 成 的 电 话 网 进 行 信 息 传 送 ， 因 此 ， 特 别 适 合 于 远 距 离 传 输 . 对 于 那 些 与 计 算 机 相 距 不 远 的 人 － 机 交 换 设 备 和 串 行 存 储 的 外 部 设 备 如 终 端 、 打 印 机 、 逻 辑 分 析 仪 、 磁 盘 等 ， 采 用 串 行 方 式 交 换 数 据 也 很 普 遍 . 在 实 时 控 制 和 管 理 方 面 ， 采 用 多 台 微 机 处 理 机 组 成 分 级 分 布 控 制 系 统 中 ， 各   C P U   之 间 的 通 信 一 般 都 是 串 行 方 式 . 所 以 串 行 接 口 是 微 机 应 用 系 统 常 用 的 接 口 。 许 多 外 设 和 计 算 机 按 串 行 方 式 进 行 通 信 ， 这 里 所 说 的 串 行 方 式 ， 是 指 外 设 与 接 口 电 路 之 间 的 信 息 传 送 方 式 ， 实 际 上 ， C P U   与 接 口 之 间 仍 按 并 行 方 式 工 作 . 串 口 串 口 ： 串 口 是 计 算 机 上 一 种 非 常 通 用 设 备 通 信 的 协 议 ， 不 要 与 通 用 串 行 总 线 U n i v e r s a l   S e r i a l   B u s （ U S B ） 混 淆 。 大 多 数 计 算 机 包 含 两 个 基 于 R S 2 3 2 的 串 口 。 串 口 同 时 也 是 仪 器 仪 表 设 备 通 用 的 通 信 协 议 ； 很 多 G P I B 兼 容 的 设 备 也 带 有 R S - 2 3 2 口 。 同 时 ， 串 口 通 信 协 议 也 可 以 用 于 获 取 远 程 采 集 设 备 的 数 据 。 串 口 通 信 的 概 念 非 常 简 单 ， 串 口 按 位 （ b i t ） 发 送 和 接 收 字 节 。 尽 管 比 按 字 节 （ b y t e ） 的 并 行 通 信 慢 ， 但 是 串 口 可 以 在 使 用 一 根 线 发 送 数 据 的 同 时 用 另 一 根 线 接 收 数 据 。 它 很 简 单 并 且 能 够 实 现 远 距 离 通 信 。 比 如 I E E E 4 8 8 定 义 并 行 通 行 状 态 时 ， 规 定 设 备 线 总 常 不 得 超 过 2 0 米 ， 并 且 任 意 两 个 设 备 间 的 长 度 不 得 超 过 2 米 ； 而 对 于 串 口 而 言 ， 长 度 可 达 1 2 0 0 米 。   典 型 地 ， 串 口 用 于 A S C I I 码 字 符 的 传 输 。 通 信 使 用 3 根 线 完 成 ： （ 1 ） 地 线 ， （ 2 ） 发 送 ， （ 3 ） 接 收 。 由 于 串 口 通 信 是 异 步 的 ， 端 口 能 够 在 一 根 线 上 发 送 数 据 同 时 在 另 一 根 线 上 接 收 数 据 。 其 他 线 用 于 握 手 ， 但 是 不 是 必 须 的 。 串 口 通 信 最 串 口 通 信 最 重 要 的 参 数 是 波 特 率 、 数 据 位 、 停 止 位 和 奇 偶 校 验 重 要 的 参 数 是 波 特 率 、 数 据 位 、 停 止 位 和 奇 偶 校 验 。 对 于 两 个 进 行 通 行 的 端 口 ， 这 些 参 数 必 须 匹 配 ： a .   波 特 率 波 特 率 ： 这 是 一 个 衡 量 通 信 速 度 的 参 数 。 它 表 示 每 秒 钟 传 送 的 b i t 的 个 数 。 例 如 3 0 0 波 特 表 示 每 秒 钟 发 送 3 0 0 个 b i t 。 当 我 们 提 到 时 钟 周 期 时 ， 我 们 就 是 指 波 特 率 。 例 如 如 果 协 议 需 要 4 8 0 0 波 特 率 ， 那 么 时 钟 是 4 8 0 0 H z 。 这 意 味 着 串 口 通 信 在 数 据 线 上 的 采 样 率 为 4 8 0 0 H z 。 通 常 电 话 线 的 波 特 率 为 1 4 4 0 0 ， 2 8 8 0 0 和 3 6 6 0 0 。 波 特 率 可 以
远 远 大 于 这 些 值 ， 但 是 波 特 率 和 距 离 成 反 比 。 高 波 特 率 常 常 用 于 放 置 的 很 近 的 仪 器 间 的 通 信 ， 典 型 的 例 子 就 是 G P I B 设 备 的 通 信 。 b .   数 据 位 数 据 位 ： 这 是 衡 量 通 信 中 实 际 数 据 位 的 参 数 。 当 计 算 机 发 送 一 个 信 息 包 ， 实 际 的 数 据 不 会 是 8 位 的 ， 标 准 的 值 是 5 、 7 和 8 位 。 如 何 设 置 取 决 于 你 想 传 送 的 信 息 。 比 如 ， 标 准 的 A S C I I 码 是 0 ～ 1 2 7 （ 7 位 ） 。 扩 展 的 A S C I I 码 是 0 ～ 2 5 5 （ 8 位 ） 。 如 果 数 据 使 用 简 单 的 文 本 （ 标 准   A S C I I 码 ） ， 那 么 每 个 数 据 包 使 用 7 位 数 据 。 每 个 包 是 指 一 个 字 节 ， 包 括 开 始 / 停 止 位 ， 数 据 位 和 奇 偶 校 验 位 。 由 于 实 际 数 据 位 取 决 于 通 信 协 议 的 选 取 ， 术 语 “ 包 ” 指 任 何 通 信 的 情 况 。 c .   停 止 位 停 止 位 ： 用 于 表 示 单 个 包 的 最 后 一 位 。 典 型 的 值 为 1 ， 1 . 5 和 2 位 。 由 于 数 据 是 在 传 输 线 上 定 时 的 ， 并 且 每 一 个 设 备 有 其 自 己 的 时 钟 ， 很 可 能 在 通 信 中 两 台 设 备 间 出 现 了 小 小 的 不 同 步 。 因 此 停 止 位 不 仅 仅 是 表 示 传 输 的 结 束 ， 并 且 提 供 计 算 机 校 正 时 钟 同 步 的 机 会 。 适 用 于 停 止 位 的 位 数 越 多 ， 不 同 时 钟 同 步 的 容 忍 程 度 越 大 ， 但 是 数 据 传 输 率 同 时 也 越 慢 。 d .   奇 偶 校 验 位 奇 偶 校 验 位 ： 在 串 口 通 信 中 一 种 简 单 的 检 错 方 式 。 有 四 种 检 错 方 式 ： 偶 、 奇 、 高 和 低 。 当 然 没 有 校 验 位 也 是 可 以 的 。 对 于 偶 和 奇 校 验 的 情 况 ， 串 口 会 设 置 校 验 位 （ 数 据 位 后 面 的 一 位 ） ， 用 一 个 值 确 保 传 输 的 数 据 有 偶 个 或 者 奇 个 逻 辑 高 位 。 例 如 ， 如 果 数 据 是 0 1 1 ， 那 么 对 于 偶 校 验 ， 校 验 位 为 0 ， 保 证 逻 辑 高 的 位 数 是 偶 数 个 。 如 果 是 奇 校 验 ， 校 验 位 位 1 ， 这 样 就 有 3 个 逻 辑 高 位 。 高 位 和 低 位 不 真 正 的 检 查 数 据 ， 简 单 置 位 逻 辑 高 或 者 逻 辑 低 校 验 。 这 样 使 得 接 收 设 备 能 够 知 道 一 个 位 的 状 态 ， 有 机 会 判 断 是 否 有 噪 声 干 扰 了 通 信 或 者 是 否 传 输 和 接 收 数 据 是 否 不 同 步 。 一 、 背 景 ： 一 、 背 景 ： 早 在 早 在 1 9 7 1 年 ， 年 ， M o d i c o n 公 司 首 次 推 出 了 公 司 首 次 推 出 了 M o d b u s 协 议 ， 协 议 ， M o d b u s R T U 和 和 M o d b u s   A S C I I 诞 生 于 此 。 后 来 施 耐 德 电 诞 生 于 此 。 后 来 施 耐 德 电 气 （ 气 （ S c h n e i d e r E l e c t r i c ） 收 购 了 ） 收 购 了 M o d i c o n 公 司 ， 并 在 公 司 ， 并 在 1 9 9 7 年 推 出 了 年 推 出 了 M o d b u s T C P 协 议 。 协 议 。 2 0 0 4 年 ， 中 国 国 家 标 准 年 ， 中 国 国 家 标 准 委 员 会 正 式 把 委 员 会 正 式 把 M o d b u s 作 为 了 国 家 标 准 ， 开 启 了 作 为 了 国 家 标 准 ， 开 启 了 M o d b u s 为 中 国 工 业 通 信 做 贡 献 的 时 代 。 为 中 国 工 业 通 信 做 贡 献 的 时 代 。 通 过 此 协 议 ， 控 制 器 相 互 之 间 、 控 制 器 经 由 网 络 和 其 它 设 备 之 间 可 以 通 信 。 M o d b u s 协 议 具 有 标 准 、 开 放 ， 可 以 支 持 多 种 电 气 接 口 ， 数 据 帧 格 式 简 单 紧 凑 ， 数 据 传 输 量 大 、 实 时 性 好 等 特 点 ， 在 工 业 控 制 系 统 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 已 经 成 为 通 用 工 业 标 准 。 深 入 分 析 M o d b u s 协 议 实 现 原 理 和 其 安 全 性 对 提 高 工 控 系 统 安 全 性 有 着 重 要 的 现 实 意 义 。 M o d b u s R T U 和 M o d b u s A S C I I 主 要 用 于 串 行 通 信 领 域 ， 而 M o d b u s T C P 则 常 用 于 以 太 网 通 信 。 现 在 ， M o d b u s 已 经 成 为 工 业 领 域 通 信 协 议 标 准 ， 并 且 现 在 是 工 业 电 子 设 备 之 间 相 当 常 用 的 连 接 方 式 。 二 、 二 、 协 议 原 理 协 议 原 理 M o d b u s 使 用 一 种 简 单 的 M a s t e r a n d S l a v e 主 从 协 议 （ 客 户 机 / 服 务 器 协 议 ） 进 行 通 信 。 客 户 机 作 为 主 站 ， 向 服 务 器 发 送 请 求 ； 服 务 器 （ 从 站 ） 接 到 请 求 后 ， 对 请 求 进 行 分 析 并 作 出 应 答 。 其 中 使 用 的 通 信 帧 被 称 为 应 用 数 据 单 元 （ A p p l i c a t i o n D a t a   U n i t ， A D U ） ， 它 包 括 通 信 地 址 段 、 功 能 代 码 段 、 数 据 段 和 校 验 段 ， 如 下 图 ：
一 般 使 用 上 ， 监 控 系 统 ( H M I ) 都 为 M a s t e r ， P L C 、 电 表 、 仪 表 等 都 为 S l a v e ， H M I 系 统 一 直 P o l l i n g S l a v e 的 各 种 r e l a y a n d r e g i s t e r 最 新 数 值 ， 然 后 做 显 示 及 各 种 逻 辑 计 算 及 控 制 调 整 等 处 理 。 其 中 ， 功 能 代 码 段 和 数 据 段 组 合 称 为 协 议 数 据 单 元 （ P r o t o c o l   D a t a   U n i t   o r   P r o t o c o l   D e s c r i p t i o n   U n i t ) ， P D U ） 。 功 能 代 码 段 占 用 一 个 字 节 ， 取 值 范 围 为 1 ~ 2 5 5 ， 其 中 1 2 8 ~ 2 5 5 为 保 留 值 ， 用 于 异 常 消 息 应 答 报 文 。 1 ~ 1 2 7 为 功 能 代 码 编 号 ， 其 中 6 5 ~ 7 2 和 1 0 0 ~ 1 1 0 为 用 户 自 定 义 编 码 。 三 、 传 输 方 式 三 、 传 输 方 式 M o d b u s   协 议 是 一 种 应 用 层 报 文 传 输 协 议 ， 包 括 A S C I I 、 Ｒ T U 、 T C P 三 种 报 文 类 型 ， 协 议 本 身 并 没 有 定 义 物 理 层 ， 只 是 定 义 了 控 制 器 能 够 认 识 和 使 用 的 消 息 结 构 ， 而 不 管 它 们 是 经 过 何 种 网 络 进 行 通 信 的 。 M o d b u s   协 议 使 用 串 口 传 输 时 可 以 选 择 Ｒ T U 或 A S C I I 模 式 ， 并 规 定 了 消 息 、 数 据 结 构 、 命 令 和 应 答 方 式 并 需 要 对 数 据 进 行 校 验 。 A S C I I   模 式 采 用 L Ｒ C 校 验 ， Ｒ T U 模 式 采 用 1 6   位 C Ｒ C 校 验 。 通 过 以 太 网 传 输 时 使 用 T C P ， 这 种 模 式 不 使 用 校 验 ， 因 为 T C P 协 议 是 一 个 面 向 连 接 的 可 靠 协 议 。 四 、 四 、 M o d b u s   R T U   和 和 M o d b u s   A S C I I 有 什 么 区 别 ？ 有 什 么 区 别 ？ M o d b u s 是 一 种 应 用 层 协 议 ， 它 定 义 了 与 基 础 网 络 无 关 的 数 据 单 元 （ A D U ） ， 可 以 在 以 太 网 （ T C P / I P ） 或 串 行 链 路 上 （ R S 2 3 2 、 R S 4 8 5 等 ） 进 行 通 信 （ 以 太 网 A D U 和 串 行 A D U 略 有 不 同 ） 。 在 串 行 链 路 上 ， M o d b u s 协 议 有 两 种 传 输 模 式 — — A S C I I 模 式 和 R T U 模 式 。 其 中 ， A S C I I 是 英 文 “ A m e r i c a n   S t a n d a r d   C o d e   f o r   I n f o r m a t i o n   I n t e r c h a n g e ” 的 缩 写 ， 中 文 翻 译 为 “ 美 国 国 家 信 息 交 换 标 准 编 码 ” ； R T U 是 英 文 “   R e m o t e   T e r m i n a l   U n i t ” 的 缩 写 ， 中 文 翻 译 为 “ 远 程 终 端 设 备 ” 。 首 先 ， 让 我 们 来 看 看 M o d b u s 的 工 作 原 理 。 M o d b u s 采 用 主 从 （ M a s t e r - S a l v e ） 通 信 模 式 ， 仅 有 主 设 备 （ M a s t e r ） 能 对 传 输 进 行 初 始 化 ， 从 设 备 （ S l a v e ） 根 据 主 设 备 的 请 求 进 行 应 答 。 典 型 的 主 设 备 包 括 现 场 仪 表 和 显 示 面 板 ， 典 型 的 从 设 备 为 可 编 程 逻 辑 控 制 器 （ P L C ） 。 在 串 行 链 路 的 主 从 通 信 中 ， M o d b u s 主 设 备 可 以 连 接 一 个 或 N （ 最 大 为 2 4 7 ） 个 从 设 备 ， 主 从 设 备 之 间 的 通 信 包 括 单 播 模 式 和 广 播 模 式 。 在 广 播 模 式 中 ， M o d b u s 主 设 备 可 同 时 向 多 个 从 设 备 发 送 请 求 （ 设 备 地 址 0 用 于 广 播 模 式 ） ， 从 设 备 对 广 播 请 求 不 进 行 响 应 。 在 单 播 模 式 中 ， 主 设 备 发 送 请 求 至 某 个 特 定 的 从 设 备 （ 每 个 M o d b u s 从 设 备 具 有 唯 一 地 址 ） ， 请 求 的 消 息 帧 中 会 包 含 功 能 代 码 和 数 据 ， 比 如 功 能 代 码 “ 0 1 ” 用 来 读 取 离 散 量 线 圈 的 状 态 。 从 设 备 接 到 请 求 后 ， 进 行 应 答 并 把 消 息 反 馈 主 设 备 。
在 主 从 设 备 的 通 信 中 ， 可 以 使 用 A S C I I 模 式 或 者 R T U 模 式 。 在 A S C I I （ A m e r i c a n S t a n d a r d   C o d e   f o r   I n f o r m a t i o n   I n t e r c h a n g e ） 传 输 模 式 下 ， 消 息 帧 以 英 文 冒 号 （ “ ： ” ， A S C I I 3 A H e x ） 开 始 ， 以 回 车 和 换 号 （ C R L F ， A S C I I   0 D   a n d   0 A   H e x ） 符 号 结 束 ， 允 许 的 传 输 的 字 符 集 为 十 六 进 制 的 0 ~ 9 和 A ~ F ； 网 络 中 的 从 设 备 监 视 传 输 通 路 上 是 否 有 英 文 冒 号 （ “ ： ” ） ， 如 果 有 的 话 ， 就 对 消 息 帧 进 行 解 码 ， 查 看 消 息 中 的 地 址 是 否 与 自 己 的 地 址 相 同 ， 如 果 相 同 的 话 ， 就 接 收 其 中 的 数 据 ； 如 果 不 同 的 话 ， 则 不 予 理 会 。 在 A S C I I 模 式 下 ， 每 个 8 位 的 字 节 被 拆 分 成 两 个 A S C I I 字 符 进 行 发 送 ， 比 如 十 六 进 制 数 0 x A F   , 会 被 分 解 成 A S C I I 字 符 “ A ” 和 “ F ” 进 行 发 送 ， 发 送 的 字 符 量 比 R T U 增 加 一 倍 。 A S C I I 模 式 的 好 处 是 允 许 两 个 字 符 之 间 间 隔 的 时 间 长 达 1 s 而 不 引 发 通 信 故 障 ， 该 模 式 采 用 纵 向 冗 余 校 验 （ L o n g i t u d i n a l   R e d u n d a n c y   C h e c k   ， L R C ) ）   的 方 法 来 检 验 错 误 ， 当 控 制 器 设 为 在 M o d b u s   网 络 上 以 Ｒ T U   模 式 通 信 ， 消 息 中 的 每 个 8 B i t   字 节 都 包 含 两 个 4   B i t   的 十 六 进 制 字 符 ， 这 种 模 式 没 有 开 始 和 结 束 标 记 。 其 优 点 是 :   在 同 样 的 波 特 率 下 ， 可 比 传 送 更 多 的 数 据 。 在 R T U （ R e m o t e T e r m i n a l   U n i t ） 模 式 下 ， 每 个 字 节 可 以 传 输 两 个 十 六 进 制 字 符 ， 比 如 十 六 进 制 数 0 x A F ， 直 接 以 十 六 进 制 0 x A F （ 二 进 制 ： 1 0 1 0 1 1 1 1 ） 进 行 发 送 ， 因 此 它 的 发 送 密 度 比 A S C I I 模 式 高 一 倍 ； R T U 模 式 采 用 循 环 冗 余 校 验 （ C R C ） ， 下 面 是 对 R T U 模 式 的 总 结 ： 具 体 格 式 如 图   所 示 。 五 、 五 、 M O D B U S   T C P   注 意 点 注 意 点 5 . 1   主 机 和 从 机 、 服 务 端 和 客 户 端 主 机 和 从 机 、 服 务 端 和 客 户 端 【 在 m o d b u s 协 议 中 】
主 机 发 送 m o d b u s 请 求 ， 从 机 根 据 请 求 内 容 向 主 机 返 回 响 应 。 在 m o d b u s 协 议 中 ， 主 机 总 是 主 动 方 ， 从 机 总 是 被 动 方 。 【 在 网 络 应 用 中 】 在 网 络 应 用 中 存 在 客 户 端 和 服 务 器 端 ， 客 户 端 （ 例 如 浏 览 器 ） 发 送 请 求 到 服 务 器 ， 服 务 器 向 客 户 端 返 回 内 容 （ 例 如 H T M L 文 本 ） 。 【 在 m o d b u s   t c p 中 】 主 机 是 客 户 端 ， 而 从 机 是 服 务 器 端 。 千 万 不 要 以 为 服 务 器 端 重 要 ， 主 机 也 重 要 ， 所 以 主 机 就 是 服 务 器 端 。 5 . 2   是 否 可 以 多 主 机 是 否 可 以 多 主 机         通 过 前 面 的 分 析 ， 主 机 为 客 户 端 那 么 m o d b u s t c p 支 持 多 个 主 机 ， 在 一 个       局 域 网 中 可 存 在 多 个 主 机 和 多 个 从 机 。 从 机 的 连 接 能 力 （ 连 接 主 机 的 数       量 ） 由 u I P 的 最 大 T C P 连 接 个 数 决 定 。 5 . 3   m o d b u s   T C P 协 议 简 述 协 议 简 述 m o d b u s   T C P 和 m o d b u s   R T U 基 本 相 同 ， 但 是 也 存 在 一 些 区 别 a . 从 机 地 址 变 得 不 再 重 要 ， 多 数 情 况 下 忽 略 。 从 某 种 意 义 上 说 从 机 地 址 被 I P 地 址 取 代 b . C R C 校 验 变 得 不 再 重 要 ， 甚 至 可 以 忽 略 。 由 于 T C P 数 据 包 中 已 经 存 在 校 验 ， 为 了 不 重 复 造 轮 子 ， m o d b u s   T C P 干 脆 取 消 了 C R C 校 验 。 T C P   模 式 是 为 了 让 M o d b u s   数 据 顺 利 在 以 太 网 上 传 输 产 生 的 ， 使 用 T C P 5 0 2   端 口 。 该 协 议 物 理 层 ， 数 据 链 路 层 ， 网 络 层 ， 传 输 层 都 是 基 于 T C P   协 议 ， 只 在 应 用 层 ， 将 M o d b u s   协 议 修 改 后 封 装 进 去 ;   接 收 端 将 该 T C P   数 据 包 拆 封 后 ， 重 新 获 得 原 始 M o d b u s   帧 ， 然 后 按 照 M o d b u s   协 议 规 范 进 行 解 析 ， 并 将 返 回 的 数 据 包 重 新 封 装 进 T C P   协 议 中 ， 返 回 到 发 送 端 。 与 串 行 链 路 传 输 的 数 据 格 式 不 同 ， T C P   模 式 去 除 了 附 加 地 址 和 校 验 ， 增 加 了 报 文 头 ， 其 具 体 格 式 如 图 4 所 示 。 在 m o d b u s   T C P 中 包 含 一 个 M B A P 头 ， 该 头 包 含 以 下 几 个 部 分 区 域 区 域 长 度 长 度 描 述 描 述 客 户 端 客 户 端 服 务 器 服 务 器 传 输 标 志 2 字 节 M O D B U S   请 求 和 响 应 传 输 过 程 中 序 列 号 客 户 端 生 成 应 答 时 复 制 该 值 协 议 标 志 2 字 节 M o d b u s 协 议 默 认 为 0 客 户 端 生 成 应 答 时 复 制 该 值 长 度 2 字 节 剩 余 部 分 的 长 度 客 户 端 生 成 应 答 时 由 服 务 器 端 生 成
单 元 标 志 1 字 节 从 机 标 志 （ 从 机 地 址 ） 客 户 端 生 成 应 答 时 复 制 该 值 区 域 区 域 长 度 长 度 描 述 描 述 客 户 端 客 户 端 服 务 器 服 务 器 【 注 意 】 【 1 】 传 输 标 志 可 理 解 为 序 列 号 ， 防 止   M O D B U S   T C P 通 信 错 位 ， 例 如 后 发 生 的 响 应 先 到 了 主 机 ， 而 早 发 生 的 响 应 后 到 主 机 【 2 】 单 元 标 志 可 理 解 为 从 机 地 址 ， 此 时 已 经 不 再 重 要 5 . 4   m o d b u s   t c p   和 和   T C P   I P 的 关 系 的 关 系 m o d b u s   T C P 可 以 理 解 为 发 生 在 T C P 上 的 应 用 层 协 议 ， 既 然 是 T C P 协 议 那 么 一 个 完 整 的 M O D B U S T C P 报 文 必 然 包 括 T C P 首 部 ， I P 首 部 和 E t h e r n e t 首 部 。 六 、 功 能 码 作 用 六 、 功 能 码 作 用 启 动 M o d b u s 事 务 处 理 的 客 户 机 创 建 M o d b u s 应 用 数 据 单 元 。 功 能 码 （ P D U 中 的 ） 向 服 务 器 指 示 将 执 行 哪 种 操 作 。 用 一 个 字 节 编 码 M o d b u s 数 据 单 元 的 功 能 码 域 。 有 效 范 围 是 十 制 制 1 - 2 5 5 （ 1 2 8 - 2 5 5 为 异 常 响 应 保 留 ） 。 当 从 客 户 机 向 服 务 器 发 送 报 文 时 ， 功 能 码 域 通 过 服 务 器 执 行 哪 种 操 作 。 从 客 户 机 向 服 务 器 发 送 的 报 文 数 据 域 包 括 附 加 信 息 ， 服 务 器 使 用 这 个 信 息 执 行 功 能 码 定 义 的 操 作 。 这 个 域 还 包 括 离 散 项 目 和 寄 存 器 地 址 、 处 理 项 目 的 数 量 以 及 域 中 的 实 际 数 据 字 节 数 。 在 某 种 请 求 中 ， 数 据 域 可 以 是 不 存 在 的 ， 在 此 情 况 下 服 务 器 不 需 要 任 何 附 加 信 息 。 功 能 码 仅 说 明 操 作 。 功 能 码 的 类 型 功 能 码 的 类 型 功 能 码 主 要 分 为 有 效 功 能 码 、 异 常 功 能 码 和 错 误 功 能 码 。 如 果 在 一 个 正 确 接 收 M o d b u s   A D U 中 ， 不 出 现 与 请 求 M o d b u s 功 能 有 关 的 差 错 ， 那 么 服 务 器 至 客 户 机 的 响 应 数 据 会 包 含 请 求 中 的 正 常 功 能 码 。 如 果 出 现 与 请 求 M o d b u s 功 能 有 关 的 差 错 ， 那 么 响 应 数 据 会 包 含 一 个 异 常 码 和 错 误 码 。 例 如 ， 客 户 机 能 够 读 一 组 离 散 量 输 出 或 输 入 的 开 / 关 状 态 ， 或 者 用 户 能 够 读 / 写 一 组 寄 存 器 数 据 内 容 。 当 服 务 器 对 客 户 机 响 应 时 ， 它 使 用 功 能 码 域 来 指 示 正 常 （ 无 差 错 ） 响 应 或 出 现 某 种 差 错 （ 称 为 异 常 响 应 ） 。 对 于 一 个 正 常 响 应 来 说 ， 服 务 器 仅 对 原 始 功 能 码 响 应 ， 如 下 图 ： 对 于 异 常 响 应 ， 服 务 器 返 回 一 个 与 客 户 机 等 同 的 码 ， 设 置 该 原 始 功 能 码 的 最 高 有 效 位 为 逻 辑 1 ， 并 加 该 异 常 码 后 增 加 错 误 码 ， 以 通 知 客 户 机 异 常 原 因 。 如 下 图 ： 有 效 功 能 码 有 效 功 能 码 有 效 功 能 码 有 二 十 几 种 ， 但 是 一 般 使 用 上 都 以 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 1 5 、 1 6 等 八 种 最 为 常 用 ， 以 及 另 外 特 殊 使 用 的 2 0 、 2 1 两 种 ， 此 为 G e n e r a l   R e f e r e n c e   R e g i s t e r ， 绝 大 部 份 的 M o d b u s 设 备 并 不 会 提 供 此 R e g i s t e r 。 于 P L C 上 主 要 的 控 制 数 据 有 下 列 四 种 型 式 。 此 八 种 功 能 码 就 是 处 理 这 些 控 制 资 料 ， 详 细 说 明 如 下 各 点 ： 控 制 数 据 四 种 型 式 ： 控 制 数 据 四 种 型 式 ： D I ： D i g i t a l I n p u t （ 数 字 输 入 ， 离 散 输 入 ） ， 一 个 地 址 一 个 数 据 位 ， 用 户 只 能 读 取 它 的 状 态 ， 不 能 修 改 。 以 一 个   b i t 表 示   O n / O f f ， 用 来 记 录 控 制 信 号 的 状 态 输 入 ， 例 如 ： 开 关 ， 接 触 点 ， 马 达 运 转 ， 超 限 s w i t c h … 等 等 。 于 P L C 上 被 称 为 I n p u t   r e l a y 、 i n p u t   c o i l 等 。 D O ： D i g i t a l O u t p u t （ 数 字 输 出 ， 线 圈 输 出 ） ， 一 个 地 址 一 个 数 据 位 ， 用 户 可 以 置 位 、 复 位 ， 可 以 回 读 状 态 。 以 一 个 b i t 表 示   O n / O f f ， 用 来 输 出 控 制 信 号 ， 以 激 活 或 停 止 马 达 ， 警 铃 ， 灯 光 … 等 等 。 于 P L C 上 被 称 为 O u t p u t   r e l a y 、 O u t p u t
c o i l 等 。 A I ： A n a l o g   I n p u t （ 模 拟 输 入 ， 输 入 寄 存 器 ） ， 一 个 地 址 1 6 位 数 据 ， 用 户 只 能 读 ， 不 能 修 改 ， ， 以 1 6   b i t s   i n t e g e r 表 示 一 个 数 值 ， 用 来 记 录 控 制 信 号 的 数 值 输 入 ， 例 如 ： 温 度 、 流 量 、 料 量 、 速 度 、 转 速 、 文 件 板 开 度 、 液 位 、 重 量 … 等 等 。 于 P L C 上 被 称 为 I n p u t   r e g i s t e r 。 A O ： A n a l o g O u t p u t （ 模 拟 输 出 ， 保 持 寄 存 器 ） ， 一 个 地 址 1 6 位 数 据 ， 用 户 可 以 写 ， 也 可 以 回 读 ， 以 1 6   b i t s   i n t e g e r 表 示 一 个 数 值 ， 用 来 输 出 控 制 信 号 的 数 值 ， 例 如 ： 温 度 、 流 量 、 速 度 、 转 速 、 文 件 板 开 度 、 饲 料 量 … 等 等 设 定 值 。 于 P L C 上 被 称 为 O u t p u t   r e g i s t e r 、 H o l d i n g   r e g i s t e r 。 七 、 七 、 M o d b u s   协 议 安 全 性 分 析 协 议 安 全 性 分 析 M o d b u s   协 议 是 典 型 的 工 控 网 协 议 ， 研 究 其 安 全 性 对 于 加 强 工 业 控 制 网 络 的 安 全 性 有 重 要 意 义 。 一 般 来 说 ， 协 议 安 全 性 问 题 可 以 分 为 两 种 ， 一 种 是 协 议 自 身 的 设 计 和 描 述 引 起 的 安 全 问 题 ;   另 一 种 是 协 议 的 不 正 确 实 现 引 起 的 安 全 问 题 。 M o d b u s   协 议 也 存 在 着 这 两 方 面 的 问 题 。 7 . 1 M o d b u s   协 议 的 固 有 问 题 协 议 的 固 有 问 题 绝 大 多 数 工 控 协 议 在 设 计 之 初 ， 仅 仅 考 虑 了 功 能 实 现 、 提 高 效 率 、 提 高 可 靠 性 等 方 面 ， 而 没 考 虑 过 安 全 性 问 题 。 M o d b u s   协 议 也 不 例 外 ， 尽 管 其 已 经 成 为 事 实 上 的 工 业 标 准 。 从 前 面 原 理 分 析 可 以 看 出 其 本 身 的 安 全 性 问 题 是 :   缺 乏 认 证 、 授 权 、 加 密 等 安 全 防 护 机 制 和 功 能 码 滥 用 问 题 。 (   1 )   缺 乏 认 证 缺 乏 认 证 认 证 的 目 的 是 保 证 收 到 的 信 息 来 自 合 法 的 用 户 ， 未 认 证 用 户 向 设 备 发 送 控 制 命 令 不 会 被 执 行 。 在 M o d b u s   协 议 通 信 过
程 中 ， 没 有 任 何 认 证 方 面 的 相 关 定 义 ， 攻 击 者 只 需 要 找 到 一 个 合 法 的 地 址 就 可 以 使 用 功 能 码 就 能 建 立 一 个 M o d b u s   通 信 会 话 ， 从 而 扰 乱 整 个 或 者 部 分 控 制 过 程 。 (   2 )   缺 乏 授 权 缺 乏 授 权 授 权 是 保 证 不 同 的 特 权 操 作 需 要 由 拥 有 不 同 权 限 的 认 证 用 户 来 完 成 ， 这 样 可 大 大 降 低 误 操 作 与 内 部 攻 击 的 概 率 。 目 前 ， M o d b u s   协 议 没 有 基 于 角 色 的 访 问 控 制 机 制 ， 也 没 有 对 用 户 分 类 ， 没 有 对 用 户 的 权 限 进 行 划 分 ， 这 会 导 致 任 意 用 户 可 以 执 行 任 意 功 能 。 (   3 )   缺 乏 加 密 缺 乏 加 密 加 密 可 以 保 证 通 信 过 程 中 双 方 的 信 息 不 被 第 三 方 非 法 获 取 。 M o d b u s   协 议 通 信 过 程 中 ， 地 址 和 命 令 全 部 采 用 明 文 传 输 ， 因 此 数 据 可 以 很 容 易 的 被 攻 击 者 捕 获 和 解 析 ， 为 攻 击 者 提 供 便 利 。 (   4 )   功 能 码 滥 用 功 能 码 滥 用 功 能 码 是 M o d b u s   协 议 中 的 一 项 重 要 内 容 ， 几 乎 所 有 的 通 信 都 包 含 功 能 码 。 目 前 ， 功 能 码 滥 用 是 导 致 M o d b u s   网 络 异 常 的 一 个 主 要 因 素 。 例 如 不 合 法 报 文 长 度 ， 短 周 期 的 无 用 命 令 ， 不 正 确 的 报 文 长 度 ， 确 认 异 常 代 码 延 迟 等 都 有 可 能 导 致 拒 绝 服 务 攻 击 。 7 . 2 协 议 实 现 产 生 的 问 题 协 议 实 现 产 生 的 问 题 虽 然 M o d b u s   协 议 获 得 了 广 泛 的 应 用 ， 但 是 在 实 现 具 体 的 工 业 控 制 系 统 时 ， 开 发 者 并 不 具 备 安 全 知 识 或 者 没 有 意 识 到 安 全 问 题 。 这 样 就 导 致 了 使 用 M o d b u s   协 议 的 系 统 中 可 能 存 在 各 种 各 样 的 安 全 漏 洞 。 (   1 )   设 计 安 全 问 题 设 计 安 全 问 题 M o d b u s   系 统 开 发 者 重 点 关 注 的 是 其 功 能 实 现 问 题 ， 安 全 问 题 在 设 计 时 很 少 被 注 意 到 。 设 计 安 全 是 指 设 计 时 充 分 考 虑 安 全 性 ， 解 决 M o d b u s   系 统 可 能 出 现 的 各 种 异 常 和 非 法 操 作 等 问 题 。 比 如 在 通 信 过 程 中 ， 某 个 节 点 被 恶 意 控 制 后 发 出 非 法 数 据 ， 就 需 要 考 虑 这 些 数 据 的 判 别 和 处 理 问 题 。 (   2 )   缓 冲 区 溢 出 漏 洞 缓 冲 区 溢 出 漏 洞 缓 冲 区 溢 出 是 指 在 向 缓 冲 区 内 填 充 数 据 时 超 过 了 缓 冲 区 本 身 的 容 量 导 致 溢 出 的 数 据 覆 盖 在 合 法 数 据 上 ， 这 是 在 软 件 开 发 中 最 常 见 也 是 非 常 危 险 的 漏 洞 ， 可 以 导 致 系 统 崩 溃 ， 或 者 被 攻 击 者 利 用 来 控 制 系 统 。 M o d b u s   系 统 开 发 者 大 多 不 具 备 安 全 开 发 知 识 ， 这 样 就 会 产 生 很 多 的 缓 冲 区 溢 出 漏 洞 ， 一 旦 被 恶 意 者 利 用 会 导 致 严 重 的 后 果 。 (   3 )   M o d b u s   T C P   安 全 问 题 安 全 问 题 目 前 ， M o d b u s   协 议 已 经 可 以 在 通 用 计 算 机 和 通 用 操 作 系 统 上 实 现 ， 运 行 于 T C P   / I P   之 上 以 满 足 发 展 需 要 。 这 样 ， T C P   / I P   协 议 自 身 存 在 的 安 全 问 题 不 可 避 免 地 会 影 响 到 工 控 网 络 安 全 。 非 法 网 络 数 据 获 取 ， 中 间 人 ， 拒 绝 服 务 ， I P   欺 骗 ， 病 毒 木 马 等 在 I P   互 联 网 中 的 常 用 攻 击 手 段 都 会 影 响 M o d b u s   系 统 安 全 。 7 . 3 安 全 建 议 安 全 建 议 目 前 ， M o d b u s   系 统 采 取 的 安 全 防 护 措 施 普 遍 不 足 ， 这 里 参 考 信 息 安 全 业 内 研 究 并 结 合 工 控 系 统 自 身 的 安 全 问 题 ， 提 出 了 一 些 安 全 建 议 ， 能 够 有 效 地 降 低 工 业 控 制 系 统 面 临 的 威 胁 。 (   1 )   从 源 头 开 始 从 源 头 开 始 工 控 网 络 漏 洞 ， 很 大 一 部 分 是 其 实 现 过 程 出 现 的 漏 洞 。 如 果 从 源 头 开 始 控 制 ， 从 M o d b u s   系 统 的 需 求 设 计 、 开 发 实 现 、 内 部 测 试 和 部 署 等 阶 段 ， 全 生 命 周 期 的 介 入 安 全 手 段 ， 融 入 安 全 设 计 、 安 全 编 码 以 及 安 全 测 试 等 技 术 ， 可 以 极 大 地 消 除 安 全 漏 洞 ， 降 低 整 个 M o d b u s   系 统 的 安 全 风 险 。
(   2 )   异 常 行 为 检 测 异 常 行 为 检 测 异 常 行 为 代 表 着 可 能 发 生 威 胁 ， 不 管 是 有 没 有 攻 击 者 ， 因 此 开 发 针 对 M o d b u s   系 统 的 专 用 异 常 行 为 检 测 设 备 可 以 极 大 提 高 工 控 网 络 的 安 全 性 。 针 对 M o d b u s   系 统 ， 首 先 要 分 析 其 存 在 的 各 种 操 作 行 为 ， 依 据 “ 主 体 ， 地 点 ， 时 间 ， 访 问 方 式 ， 操 作 ， 客 体 ” 等 行 为 描 述 成 一 个 六 元 组 模 型 ;   进 而 分 析 其 行 为 是 否 属 于 异 常 ;   最 终 决 定 采 取 记 录 或 者 报 警 等 措 施 。 (   3 )   安 全 审 计 安 全 审 计 M o d b u s   的 安 全 审 计 就 是 对 协 议 数 据 进 行 深 度 解 码 分 析 ， 记 录 操 作 的 时 间 、 地 点 、 操 作 者 和 操 作 行 为 等 关 键 信 息 ， 实 现 对 M o d b u s   系 统 的 安 全 审 计 日 志 记 录 和 审 计 功 能 ， 从 而 提 供 安 全 事 件 爆 发 后 的 时 候 追 查 能 力 。 (   4 )   使 用 网 络 安 全 设 备 使 用 网 络 安 全 设 备 使 用 入 侵 防 御 和 防 火 墙 等 网 络 安 全 设 备 。 防 火 墙 是 一 个 串 行 设 备 ， 通 过 设 置 ， 只 允 许 特 定 的 地 址 访 问 服 务 端 ， 禁 止 外 部 地 址 访 问 M o d b u s   服 务 器 ， 可 以 有 效 的 防 止 外 部 入 侵 ;   入 侵 防 御 设 备 可 以 分 析 M o d b u s 协 议 的 具 体 操 作 内 容 ， 有 效 地 检 测 并 阻 止 来 自 内 部 / 外 部 的 异 常 操 作 和 各 种 渗 透 攻 击 行 为 ， 对 内 网 提 供 保 护 功 能 。 P S ： 本 篇 文 章 是 从 多 篇 文 章 和 论 文 总 结 而 成 ， 并 非 原 创 ， 只 是 本 人 整 理 ， 本 意 是 希 望 对 初 学 M o d b u s 的 同 学 有 所 帮 助 。 如 果 涉 及 到 侵 权 方 面 的 事 请 私 信 我 ， 立 刻 删 除 。 * 本 文 整 理 : r y e _ ， 转 载 请 注 明 F r e e B u f   C O M 阅 读 原 文
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