今天來聊一聊Modbus,先看看今天的主要內(nèi)容：

1、術(shù)語解讀

2、背景

3、協(xié)議原理

4、傳輸方式

5、Modbus RTU與Modbus ASCII有什么區(qū)別

6、Modbus TCP及其注意點

7、功能碼作用

8、Modbus協(xié)議安全分析

01術(shù)語解讀

校驗碼：校驗碼通常是一組數(shù)字的最后一位，由前面的數(shù)字通過某種運算得出,用以檢驗該組數(shù)據(jù)的正確性。代碼作為數(shù)據(jù)在向計算機或其它設(shè)備進行輸入時，容易產(chǎn)生輸入錯誤，為了減少這種輸入錯誤，編碼專家發(fā)明了各種校驗檢錯方法，并依據(jù)這些方法設(shè)置了校驗碼。常用的校驗有：累加和校驗SUM、字節(jié)異或校驗XOR、縱向冗余校驗LRC、循環(huán)冗余校驗CRC。

離散量輸入：主要用來讀取單個位的數(shù)據(jù)，如IO的狀態(tài);

線圈：開關(guān)輸出信號，主要用來寫入單個位的數(shù)據(jù)，與離散量構(gòu)成組成對位的操作;

輸入寄存器：主要用來讀取16位，也就是兩個字節(jié)的數(shù)據(jù);

保持寄存器：主要用來寫入16位的數(shù)據(jù);

PLC：可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

串口通信：隨著計算機系統(tǒng)的應(yīng)用和微機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯得重要。這里所說的通信是指計算機與外界的信息交換。因此，通信既包括計算機與外部設(shè)備之間，也包括計算機和計算機之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進行信息傳送，因此特別適合于遠距離傳輸。對于那些與計算機相距不遠的人-機交換設(shè)備和串行存儲的外部設(shè)備如終端、打印機、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數(shù)據(jù)也很普遍。在實時控制和管理方面，采用多臺微機處理機組成分級分布控制系統(tǒng)中，各 CPU 之間的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微機應(yīng)用系統(tǒng)常用的接口。許多外設(shè)和計算機按串行方式進行通信，這里所說的串行方式，是指外設(shè)與接口電路之間的信息傳送方式，實際上CPU 與接口之間仍按并行方式工作。

串口：串口是計算機上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，不要與通用串行總線Universal Serial Bus(USB)混淆。大多數(shù)計算機包含兩個基于RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議;很多GPIB兼容的設(shè)備也帶有RS-232口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

串口通信的概念非常簡單，串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)(byte)的并行通信要慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過20米，并且任意兩個設(shè)備間的長度不得超過2米;而對于串口而言，長度可達1200米。

典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：地線、發(fā)送和接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：

a. 波特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率。例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。

b. 數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127(7位)。擴展的ASCII碼是0～255(8位)。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本(標準 ASCII碼)，那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。

c. 停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

d. 奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設(shè)置校驗位(數(shù)據(jù)位后面的一位)，用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗，校驗位1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

02背景

早在1971年，Modicon公司首次推出了Modbus協(xié)議，ModbusRTU和Modbus ASCII誕生于此。后來施耐德電氣(SchneiderElectric)收購了Modicon公司，并在1997年推出了ModbusTCP協(xié)議。2004年，中國國家標準委員會正式把Modbus作為了國家標準，開啟了Modbus為中國工業(yè)通信做貢獻的時代。

通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。Modbus協(xié)議具有標準、開放，可以支持多種電氣接口，數(shù)據(jù)幀格式簡單緊湊，數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好等特點，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為通用工業(yè)標準。深入分析Modbus協(xié)議實現(xiàn)原理和其安全性對提高工控系統(tǒng)安全性有著重要的現(xiàn)實意義。

ModbusRTU和ModbusASCII主要用于串行通信領(lǐng)域，而ModbusTCP則常用于以太網(wǎng)通信?，F(xiàn)在，Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議標準，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間相當常用的連接方式。

03協(xié)議原理

Modbus使用一種簡單的MasterandSlave主從協(xié)議(客戶機/服務(wù)器協(xié)議)進行通信?？蛻魴C作為主站，向服務(wù)器發(fā)送請求;服務(wù)器(從站)接到請求后，對請求進行分析并作出應(yīng)答。其中使用的通信幀被稱為應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(Application Data Unit，ADU)，它包括通信地址段、功能代碼段、數(shù)據(jù)段和校驗段，如下圖：

一般使用上，監(jiān)控系統(tǒng)(HMI)都為Master，PLC、電表、儀表等都為Slave，HMI系統(tǒng)一直PollingSlave的各種relayandregister最新數(shù)值，然后做顯示及各種邏輯計算及控制調(diào)整等處理。

其中，功能代碼段和數(shù)據(jù)段組合稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit or Protocol Description Unit)，PDU)。功能代碼段占用一個字節(jié)，取值范圍為1~255，其中128~255為保留值，用于異常消息應(yīng)答報文。1~127為功能代碼編號，其中65~72和100~110為用戶自定義編碼。

04傳輸方式

Modbus 協(xié)議是一種應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型，協(xié)議本身并沒有定義物理層，只是定義了控制器能夠認識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。

Modbus 協(xié)議使用串口傳輸時可以選擇RTU或ASCII模式，并規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答方式并需要對數(shù)據(jù)進行校驗。ASCII 模式采用LRC校驗，RTU模式采用16 位CRC校驗。通過以太網(wǎng)傳輸時使用TCP，這種模式不使用校驗，因為TCP協(xié)議是一個面向連接的可靠協(xié)議。

05兩有什么區(qū)別

Modbus是一種應(yīng)用層協(xié)議，它定義了與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的數(shù)據(jù)單元(ADU)，可以在以太網(wǎng)(TCP/IP)或串行鏈路上(RS232、RS485等)進行通信(以太網(wǎng)ADU和串行ADU略有不同)。在串行鏈路上，Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式——ASCII模式和RTU模式。其中，ASCII是英文“American Standard Code for Information Interchange”的縮寫，中文翻譯為“美國國家信息交換標準編碼”;RTU是英文“ Remote Terminal Unit”的縮寫，中文翻譯為“遠程終端設(shè)備”。

首先，讓我們來看看Modbus的工作原理。

Modbus采用主從(Master-Salve)通信模式，僅有主設(shè)備(Master)能對傳輸進行初始化，從設(shè)備(Slave)根據(jù)主設(shè)備的請求進行應(yīng)答。典型的主設(shè)備包括現(xiàn)場儀表和顯示面板，典型的從設(shè)備為可編程邏輯控制器(PLC)。

在串行鏈路的主從通信中，Modbus主設(shè)備可以連接一個或N(最大為247)個從設(shè)備，主從設(shè)備之間的通信包括單播模式和廣播模式。

在廣播模式中，Modbus主設(shè)備可同時向多個從設(shè)備發(fā)送請求(設(shè)備地址0用于廣播模式)，從設(shè)備對廣播請求不進行響應(yīng)。

在單播模式中，主設(shè)備發(fā)送請求至某個特定的從設(shè)備(每個Modbus從設(shè)備具有唯一地址)，請求的消息幀中會包含功能代碼和數(shù)據(jù)，比如功能代碼“01”用來讀取離散量線圈的狀態(tài)。從設(shè)備接到請求后，進行應(yīng)答并把消息反饋主設(shè)備。

在主從設(shè)備的通信中，可以使用ASCII模式或者RTU模式。在ASCII(AmericanStandard Code for Information Interchange)傳輸模式下，消息幀以英文冒號(“：”，ASCII3A Hex)開始，以回車和換號(CRLF，ASCII 0D and 0A Hex)符號結(jié)束，允許的傳輸?shù)淖址癁槭M制的0~9和A~F;網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備監(jiān)視傳輸通路上是否有英文冒號(“：”)，如果有的話，就對消息幀進行解碼，查看消息中的地址是否與自己的地址相同，如果相同的話，就接收其中的數(shù)據(jù);如果不同的話，則不予理會。

在ASCII模式下，每個8位的字節(jié)被拆分成兩個ASCII字符進行發(fā)送，比如十六進制數(shù)0xAF ,會被分解成ASCII字符“A”和“F”進行發(fā)送，發(fā)送的字符量比RTU增加一倍。ASCII模式的好處是允許兩個字符之間間隔的時間長達1s而不引發(fā)通信故障，該模式采用縱向冗余校驗(Longitudinal Redundancy Check ，LRC)) 的方法來檢驗錯誤，當控制器設(shè)為在Modbus 網(wǎng)絡(luò)上以RTU 模式通信，消息中的每個8Bit 字節(jié)都包含兩個4 Bit 的十六進制字符，這種模式?jīng)]有開始和結(jié)束標記。其優(yōu)點是: 在同樣的波特率下，可傳送更多的數(shù)據(jù)。

在RTU(RemoteTerminal Unit)模式下，每個字節(jié)可以傳輸兩個十六進制字符，比如十六進制數(shù)0xAF，直接以十六進制0xAF(二進制：10101111)進行發(fā)送，因此它的發(fā)送密度比ASCII模式高一倍;RTU模式采用循環(huán)冗余校驗(CRC)，下面是對RTU模式的總結(jié)：

具體格式如下圖所示：

06Modbus TCP及其注意點

6.1 主機和從機、服務(wù)端和客戶端

【在modbus協(xié)議中】

主機發(fā)送modbus請求，從機根據(jù)請求內(nèi)容向主機返回響應(yīng)。在modbus協(xié)議中，主機總是主動方，從機總是被動方。

【在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中】

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在客戶端和服務(wù)器端，客戶端(例如瀏覽器)發(fā)送請求到服務(wù)器，服務(wù)器向客戶端返回內(nèi)容(例如HTML文本)。

【在modbus tcp中】

主機是客戶端，而從機是服務(wù)器端。千萬不要以為服務(wù)器端重要，主機也重要，所以主機就是服務(wù)器端。

6.2 是否可以多主機

通過前面的分析，主機為客戶端那么modbustcp支持多個主機，在一個 局域網(wǎng)中可存在多個主機和多個從機。從機的連接能力(連接主機的數(shù) 量)由uIP的最大TCP連接個數(shù)決定。

6.3 modbus TCP協(xié)議簡述

modbus TCP和modbus RTU基本相同，但是也存在一些區(qū)別：

a.從機地址變得不再重要，多數(shù)情況下忽略。從某種意義上說從機地址被IP地址取代;

b.CRC校驗變得不再重要，甚至可以忽略。由于TCP數(shù)據(jù)包中已經(jīng)存在校驗，為了不重復(fù)造輪子，modbus TCP干脆取消了CRC校驗。

TCP 模式是為了讓Modbus 數(shù)據(jù)順利在以太網(wǎng)上傳輸產(chǎn)生的，使用TCP502 端口。該協(xié)議物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層都是基于TCP 協(xié)議，只在應(yīng)用層，將Modbus 協(xié)議修改后封裝進去; 接收端將該TCP 數(shù)據(jù)包拆封后，重新獲得原始Modbus 幀，然后按照Modbus 協(xié)議規(guī)范進行解析，并將返回的數(shù)據(jù)包重新封裝進TCP 協(xié)議中，返回到發(fā)送端。與串行鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式不同，TCP 模式去除了附加地址和校驗，增加了報文頭，其具體格式如圖4所示。

在modbus TCP中包含一個MBAP頭，該頭包含以下幾個部分：

區(qū)域長度描述客戶端服務(wù)器

傳輸標志2字節(jié)MODBUS 請求和響應(yīng)傳輸過程中序列號客戶端生成應(yīng)答時復(fù)制該值

協(xié)議標志2字節(jié)Modbus協(xié)議默認為0客戶端生成應(yīng)答時復(fù)制該值

長度2字節(jié)剩余部分的長度客戶端生成應(yīng)答時由服務(wù)器端生成

單元標志1字節(jié)從機標志(從機地址)客戶端生成應(yīng)答時復(fù)制該值

注意：

a.傳輸標志可理解為序列號，防止 MODBUS TCP通信錯位，例如后發(fā)生的響應(yīng)先到了主機，而早發(fā)生的響應(yīng)后到主機;

b.單元標志可理解為從機地址，此時已經(jīng)不再重要。

6.4 modbus tcp 和 TCP IP的關(guān)系

modbus TCP可以理解為發(fā)生在TCP上的應(yīng)用層協(xié)議，既然是TCP協(xié)議那么一個完整的MODBUSTCP報文必然包括TCP首部，IP首部和Ethernet首部。

07功能碼作用

啟動Modbus事務(wù)處理的客戶機創(chuàng)建Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元。功能碼(PDU中的)向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作。

用一個字節(jié)編碼Modbus數(shù)據(jù)單元的功能碼域。有效范圍是十制制1-255(128-255為異常響應(yīng)保留)。當從客戶機向服務(wù)器發(fā)送報文時，功能碼域通過服務(wù)器執(zhí)行哪種操作。

從客戶機向服務(wù)器發(fā)送的報文數(shù)據(jù)域包括附加信息，服務(wù)器使用這個信息執(zhí)行功能碼定義的操作。這個域還包括離散項目和寄存器地址、處理項目的數(shù)量以及域中的實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

在某種請求中，數(shù)據(jù)域可以是不存在的，在此情況下服務(wù)器不需要任何附加信息。功能碼僅說明操作。

功能碼的類型：

功能碼主要分為有效功能碼、異常功能碼和錯誤功能碼。如果在一個正確接收Modbus ADU中，不出現(xiàn)與請求Modbus功能有關(guān)的差錯，那么服務(wù)器至客戶機的響應(yīng)數(shù)據(jù)會包含請求中的正常功能碼。如果出現(xiàn)與請求Modbus功能有關(guān)的差錯，那么響應(yīng)數(shù)據(jù)會包含一個異常碼和錯誤碼。

例如，客戶機能夠讀一組離散量輸出或輸入的開/關(guān)狀態(tài)，或者用戶能夠讀/寫一組寄存器數(shù)據(jù)內(nèi)容。當服務(wù)器對客戶機響應(yīng)時，它使用功能碼域來指示正常(無差錯)響應(yīng)或出現(xiàn)某種差錯(稱為異常響應(yīng))。對于一個正常響應(yīng)來說，服務(wù)器僅對原始功能碼響應(yīng)。

對于異常響應(yīng)，服務(wù)器返回一個與客戶機等同的碼，設(shè)置該原始功能碼的最高有效位為邏輯1，并加該異常碼后增加錯誤碼，以通知客戶機異常原因。

有效功能碼

有效功能碼有二十幾種，但是一般使用上都以1、2、3、4、5、6、15、16等八種最為常用，以及另外特殊使用的20、21兩種，此為General Reference Register，絕大部份的Modbus設(shè)備并不會提供此Register。于PLC上主要的控制數(shù)據(jù)有下列四種型式。此八種功能碼就是處理這些控制資料，詳細說明如下各點：

控制數(shù)據(jù)四種型式：

DI：DigitalInput(數(shù)字輸入，離散輸入)，一個地址一個數(shù)據(jù)位，用戶只能讀取它的狀態(tài)，不能修改。以一個 bit表示 On/Off，用來記錄控制信號的狀態(tài)輸入，例如：開關(guān)，接觸點，馬達運轉(zhuǎn)，超限switch…等等。于PLC上被稱為Input relay、input coil等。

DO：DigitalOutput(數(shù)字輸出，線圈輸出)，一個地址一個數(shù)據(jù)位，用戶可以置位、復(fù)位，可以回讀狀態(tài)。以一個 bit表示 On/Off，用來輸出控制信號，以激活或停止馬達，警鈴，燈光…等等。于PLC上被稱為Output relay、Output coil等。

AI：Analog Input(模擬輸入，輸入寄存器)，一個地址16位數(shù)據(jù)，用戶只能讀，不能修改，，以16 bits integer表示一個數(shù)值，用來記錄控制信號的數(shù)值輸入，例如：溫度、流量、料量、速度、轉(zhuǎn)速、文件板開度、液位、重量…等等。于PLC上被稱為Input register。

AO：AnalogOutput(模擬輸出，保持寄存器)，一個地址16位數(shù)據(jù)，用戶可以寫，也可以回讀，以16 bits integer表示一個數(shù)值，用來輸出控制信號的數(shù)值，例如：溫度、流量、速度、轉(zhuǎn)速、文件板開度、飼料量…等等設(shè)定值。于PLC上被稱為Output register、Holding register。

08Modbus協(xié)議安全分析

Modbus 協(xié)議是典型的工控網(wǎng)協(xié)議，研究其安全性對于加強工業(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)計和描述引起的安全問題; 另一種是協(xié)議的不正確實現(xiàn)引起的安全問題。Modbus 協(xié)議也存在著這兩方面的問題。

8.1Modbus 協(xié)議的固有問題

絕大多數(shù)工控協(xié)議在設(shè)計之初，僅僅考慮了功能實現(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)成為事實上的工業(yè)標準。從前面原理分析可以看出其本身的安全性問題是: 缺乏認證、授權(quán)、加密等安全防護機制和功能碼濫用問題。

(1)缺乏認證

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

(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制，也沒有對用戶分類，沒有對用戶的權(quán)限進行劃分，這會導(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)異常的一個主要因素。例如不合法報文長度，短周期的無用命令，不正確的報文長度，確認異常代碼延遲等都有可能導(dǎo)致拒絕服務(wù)攻擊。

8.2協(xié)議實現(xiàn)產(chǎn)生的問題

雖然Modbus 協(xié)議獲得了廣泛的應(yīng)用，但是在實現(xiàn)具體的工業(yè)控制系統(tǒng)時，開發(fā)者并不具備安全知識或者沒有意識到安全問題。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)計安全問題

Modbus 系統(tǒng)開發(fā)者重點關(guān)注的是其功能實現(xiàn)問題，安全問題在設(shè)計時很少被注意到。設(shè)計安全是指設(shè)計時充分考慮安全性，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，某個節(jié)點被惡意控制后發(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，這樣就會產(chǎn)生很多的緩沖區(qū)溢出漏洞，一旦被惡意者利用會導(dǎo)致嚴重的后果。

(3)Modbus TCP 安全問題

目前，Modbus 協(xié)議已經(jīng)可以在通用計算機和通用操作系統(tǒng)上實現(xiàn)，運行于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影響Modbus 系統(tǒng)安全。

8.3安全建議

目前，Modbus 系統(tǒng)采取的安全防護措施普遍不足，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、開發(fā)實現(xiàn)、內(nèi)部測試和部署等階段，全生命周期的介入安全手段，融入安全設(shè)計、安全編碼以及安全測試等技術(shù)，可以極大地消除安全漏洞，降低整個Modbus 系統(tǒng)的安全風險。

(2)異常行為檢測

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Modbus 系統(tǒng)的專用異常行為檢測設(shè)備可以極大提高工控網(wǎng)絡(luò)的安全性。針對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，時間，訪問方式，操作，客體”等行為描述成一個六元組模型; 進而分析其行為是否屬于異常; 最終決定采取記錄或者報警等措施。

(3)安全審計

Modbus 的安全審計就是對協(xié)議數(shù)據(jù)進行深度解碼分析，記錄操作的時間、地點、操作者和操作行為等關(guān)鍵信息，實現(xiàn)對Modbus 系統(tǒng)的安全審計日志記錄和審計功能，從而提供安全事件爆發(fā)后的時候追查能力。

(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，對內(nèi)網(wǎng)提供保護功能。

審核編輯：湯梓紅