Modbus協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)

　　Modbus 協(xié)議是典型的工控網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，研究其安全性對(duì)于加強(qiáng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性有重要意義。一般來說，協(xié)議安全性問題可以分為兩種，一種是協(xié)議自身的設(shè)計(jì)和描述引起的安全問題; 另一種是協(xié)議的不正確實(shí)現(xiàn)引起的安全問題。Modbus 協(xié)議也存在著這兩方面的問題。

　　Modbus 協(xié)議的固有問題

　　絕大多數(shù)工控協(xié)議在設(shè)計(jì)之初，僅僅考慮了功能實(shí)現(xiàn)、提高效率、提高可靠性等方面，而沒考慮過安全性問題。Modbus 協(xié)議也不例外，盡管其已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從前面原理分析可以看出其本身的安全性問題是： 缺乏認(rèn)證、授權(quán)、加密等安全防護(hù)機(jī)制和功能碼濫用問題。

　　( 1) 缺乏認(rèn)證

　　認(rèn)證的目的是保證收到的信息來自合法的用戶，未認(rèn)證的用戶向設(shè)備發(fā)送控制命令不會(huì)被執(zhí)行。在Modbus 協(xié)議通信過程中，沒有任何認(rèn)證方面的相關(guān)定義，攻擊者只需要找到一個(gè)合法的地址就可以使用功能碼就能建立一個(gè)Modbus 通信會(huì)話，從而擾亂整個(gè)或者部分控制過程。

　　( 2) 缺乏授權(quán)

　　授權(quán)是保證不同的特權(quán)操作需要由擁有不同權(quán)限的認(rèn)證用戶來完成，這樣可大大降低誤操作與內(nèi)部攻擊的概率。目前，Modbus 協(xié)議沒有基于角色的訪問控制機(jī)制，也沒有對(duì)用戶分類，沒有對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行劃分，這會(huì)導(dǎo)致任意用戶可以執(zhí)行任意功能。

　　( 3) 缺乏加密

　　加密可以保證通信過程中雙方的信息不被第三方非法獲取。Modbus 協(xié)議通信過程中，地址和命令全部采用明文傳輸，因此數(shù)據(jù)可以很容易的被攻擊者捕獲和解析，為攻擊者提供便利。

　　( 4) 功能碼濫用

　　功能碼是Modbus 協(xié)議中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，幾乎所有的通信都包含功能碼。目前，功能碼濫用是導(dǎo)致Modbus 網(wǎng)絡(luò)異常的一個(gè)主要因素。例如不合法報(bào)文長(zhǎng)度，短周期的無用命令，不正確的報(bào)文長(zhǎng)度，確認(rèn)異常代碼延遲等都有可能導(dǎo)致拒絕服務(wù)攻擊。

　　協(xié)議實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的問題

　　雖然Modbus 協(xié)議獲得了廣泛的應(yīng)用，但是在實(shí)現(xiàn)具體的工業(yè)控制系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)者并不具備安全知識(shí)或者沒有意識(shí)到安全問題。這樣就導(dǎo)致了使用Modbus 協(xié)議的系統(tǒng)中可能存在各種各樣的安全漏洞。

　　( 1) 設(shè)計(jì)安全問題

　　Modbus 系統(tǒng)開發(fā)者重點(diǎn)關(guān)注的是其功能實(shí)現(xiàn)問題，安全問題在設(shè)計(jì)時(shí)很少被注意到。設(shè)計(jì)安全是指設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮安全性，解決Modbus 系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種異常和非法操作等問題。比如在通信過程中，某個(gè)節(jié)點(diǎn)被惡意控制后發(fā)出非法數(shù)據(jù)，就需要考慮這些數(shù)據(jù)的判別和處理問題。

　　( 2) 緩沖區(qū)溢出漏洞

　　緩沖區(qū)溢出是指在向緩沖區(qū)內(nèi)填充數(shù)據(jù)時(shí)超過了緩沖區(qū)本身的容量導(dǎo)致溢出的數(shù)據(jù)覆蓋在合法數(shù)據(jù)上，這是在軟件開發(fā)中最常見也是非常危險(xiǎn)的漏洞，可以導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，或者被攻擊者利用來控制系統(tǒng)。Modbus 系統(tǒng)開發(fā)者大多不具備安全開發(fā)知識(shí)，這樣就會(huì)產(chǎn)生很多的緩沖區(qū)溢出漏洞，一旦被惡意者利用會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

　　( 3) Modbus TCP 安全問題

　　目前，Modbus 協(xié)議已經(jīng)可以在通用計(jì)算機(jī)和通用操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行于TCP /IP 之上以滿足發(fā)展需要。這樣，TCP /IP 協(xié)議自身存在的安全問題不可避免地會(huì)影響到工控網(wǎng)絡(luò)安全。非法網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取，中間人，拒絕服務(wù)， IP 欺騙，病毒木馬等在IP 互聯(lián)網(wǎng)中的常用攻擊手段都會(huì)影響Modbus 系統(tǒng)安全。

　　安全建議

　　目前，Modbus 系統(tǒng)采取的安全防護(hù)措施普遍不足，這里參考信息安全業(yè)內(nèi)研究并結(jié)合工控系統(tǒng)自身的安全問題，提出了一些安全建議，能夠有效地降低工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的威脅。

　　( 1) 從源頭開始

　　工控網(wǎng)絡(luò)漏洞，很大一部分是其實(shí)現(xiàn)過程出現(xiàn)的漏洞。如果從源頭開始控制，從Modbus 系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)、開發(fā)實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部測(cè)試和部署等階段，全生命周期的介入安全手段，融入安全設(shè)計(jì)、安全編碼以及安全測(cè)試等技術(shù)，可以極大地消除安全漏洞，降低整個(gè)Modbus 系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　( 2) 異常行為檢測(cè)

　　異常行為代表著可能發(fā)生威脅，不管是有沒有攻擊者，因此開發(fā)針對(duì)Modbus 系統(tǒng)的專用異常行為檢測(cè)設(shè)備可以極大提高工控網(wǎng)絡(luò)的安全性。針對(duì)Modbus 系統(tǒng)，首先要分析其存在的各種操作行為，依據(jù)“主體，地點(diǎn)，時(shí)間，訪問方式，操作，客體”等行為描述成一個(gè)六元組模型; 進(jìn)而分析其行為是否屬于異常; 最終決定采取記錄或者報(bào)警等措施。

　　( 3) 安全審計(jì)

　　Modbus 的安全審計(jì)就是對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行深度解碼分析，記錄操作的時(shí)間、地點(diǎn)、操作者和操作行為等關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)Modbus 系統(tǒng)的安全審計(jì)日志記錄和審計(jì)功能，從而提供安全事件爆發(fā)后的事后追查能力。

　　( 4) 使用網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備

　　使用入侵防御和防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。防火墻是一個(gè)串行設(shè)備，通過設(shè)置，只允許特定的地址訪問服務(wù)端，禁止外部地址訪問Modbus 服務(wù)器，可以有效的防止外部入侵; 入侵防御設(shè)備可以分析Modbus協(xié)議的具體操作內(nèi)容，有效地檢測(cè)并阻止來自內(nèi)部/外部的異常操作和各種滲透攻擊行為，對(duì)內(nèi)網(wǎng)提供保護(hù)功能。