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基于国密算法的ModbusTCP协议安全防护与研究.pdf
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1、信息安全研究第10 卷第1期2 0 2 4年1月Journalot information Security ResearchVol.10No.1Jan.2024DOl:10.12379/j.issn.2096-1057.2024.01.04基于国密算法的ModbusTCP协议安全防护与研究祁志荣吕世民郑乾坤11(中安联合煤化有限责任公司电仪中心安徽准南2(宁波和利时信息安全研究院有限公司工程服务部()Security Protection and Research of ModbusTCP Protocol Based onNational Secret Algorithm232092)浙江
2、宁波315048)Qi Zhirong,Lu Shimin,and Zheng Qiankun1(Comprehensive Department of Zhongan United Coal Chemical Co.,Ltd.,Huainan,Anhui 232092)2(Engineering Seroice Department,Ningbo Hollysys Information Security Research Institute Co.,Lid,Ningbo,Zhejiang 315048)Abstract As a simple and efficient Ethernet
3、industrial control protocol,ModbusTCP is widelyused in industrial control systems.However,the traditional ModbusTCP protocol did not considerthe problem of security,which leads to many criminals to attack ModbusTCP through itsvulnerability.To address the lack of identity authentication and integrity
4、 verification in theModbusTCP protocol,a bidirectional identity authentication and data integrity verificationalgorithm using SM2 signature verification is proposed.In view of the lack of data confidentiality ofModbusTCP protocol,the SM4 symmetric encryption algorithm is proposed to encrypt theplain
5、text data.In view of the lack of anti-replay attack mechanism of ModbusTCP,a randomnumber method is proposed to prevent replay attack.Experiments show that the proposed schemecan effectively increase the security of ModbusTCP protocol.Key words industrial control system;ModbusTCP;SM2;SM4;bidirection
6、al identity authentication摘要ModbusTCP作为一种简单高效的以太网工业控制协议被广泛应用于工业控制系统中.但是传统的ModbusTCP协议没有考虑到安全性的问题,导致不少不法分子通过ModbusTCP的漏洞对其进行攻击.针对ModbusTCP协议缺乏身份认证和完整性验证的问题,提出通过SM2签名验签算法实现双向的身份认证并验证数据完整性;针对ModbusTCP协议缺乏数据机密性的问题,提出通过SM4对称加密算法对数据明文进行加密;针对ModbusTCP缺乏防重放攻击机制,提出通过随机数的方式防重放攻击.实验表明所提方案可以有效增加ModbusTCP协议的安全性。
7、关键词工业控制系统;ModbusTCPSM2;SM 4;双向身份认证中图法分类号TP309.2收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 5引用格式:祁志荣,吕世民,郑乾坤.基于国密算法的ModbusTCP协议安全防护与研究J.信息安全研究,2 0 2 4,10(1:2 0-2 420学术论文.ResearchPapersModbus协议是工业控制系统最受欢迎的协议之一,但是随着工业控制系统的发展,主站与从站的联系已不能满足与外界封闭的交流方式,因此,Modbus协议逐步与当前主流协议TCP接轨,形成ModbusTCP协议,在保留工业控制系统特点的同时,能够独立于计算机硬件与操作系统,已成功应用到当
8、前的ICS中,提升主站与从站设备的通信效率.然而,协议因为继承TCP协议固有的设计缺陷,使得ModbusTCP协议面临诸多网络攻击的风险,比如中间人攻击,因此,ModbusTCP的安全性成为当前工业控制系统主要提升的领域之一针对Modbus协议的研究,业界已有多种研究方案:Fovino等人(1提出在Modbus协议中加人时间戳和哈希字段,并用私钥加密,该方法能够在一定程度上保证数据的完整性、可认证性和防止重放攻击;詹静等人2 提出一种基于远程认证的可信Modbus协议,实现了通信双方身份和状态的双向认证,保证数据传输过程的完整性和安全性;张波等人3 提出一种椭圆曲线公钥算法,实现身份认证和完整
9、性保护,采用密钥控制通信注册机制与时间戳检测机制组合防止重放攻击;Aamir等人4提出设计加密缓冲器,添加特殊字段检测安全发展和传输过程中的敏感信息,增强传输和加密安全性;Luo等人5提出Modbus增强协议,该协议能够抵御重放攻击和加密关键数据字段,并且确保通信双方都可以被认证,提升工业控制网络的安全性.上述研究虽然弥补了ModbusTCP协议的一些缺陷,但均无法同时满足安全性强和低开销的要求,因此,本文提出基于 SM2 与 SM4加密算法,并经过多组实验对比显示,本文方案在安全性、计算开销和空间开销方面能够得到一定提升.1ModbusTCP协议Modbus协议是由MODICON公司于19
10、7 9年开发的一种工业现场总线协议标准,之后,在1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的Modbus协议ModbusTCP.该协议布置于应用层,ModbusTCP数据可分为2 部分,分别为报文头(MBAP)十顿结构(PDU).MBAP长度为7B,由4个字段组成,第1个字段作为报文的序列号,第2 个字段表示ModbusTCP协议,第3个字段表示接下来的字段长度,最后以1个字段表示设备地址;PDU由功能码和数据组成,功能码长度为1B,数据长度由具体功能决定,其报文根据对象不同设置8 个功能码.2ModbusTCP协议安全方案2.1方案介绍ModbusTCP协议安全方案对原始 Modb-us
11、TCP报文进行了改造,在原始ModbusTCP报文中增加了Random字段和 SIGN字段,使其成为ModbusTCP安全报文.本文提出的ModbusTCP安全方案为实现在真实工业控制环境中的1主多从模式,在Modb-usTCP主站中配置了1张含有所连接的Modb-usTCP从站的地址、从站对应的SM2公钥和与从站配置的预共享密钥的预置表.ModbusTCP从站中配置了1张含有主站IP地址、主站的SM2公钥、主站配置的预共享密钥和以功能码作为访问控制内容的预置表,其中,主站配置表中的初始SM2公钥为空.除此之外,为了增加防重放攻击的机制,在主站和从站中配有随机数表,表中记录了每条消息的随机数,
12、为了防止内存开销过大,该表每30 s格式化1次.本文方案分为注册阶段和数据安全传输阶段.在注册阶段,ModbusTCP主站将自身SM2公钥注册到ModbusTCP客户端中的预置表中,以便在数据安全传输阶段通过该SM2公钥进行验签操作,从而验证数据发送方的合法身份.在数据安全传输阶段,本文方案通过预共享的SM4密钥对传输的关键数据进行加密,并对数据进行哈希操作,防止攻击者通过中间人攻击恶意获取数据或篡改数据.通过在注册阶段接收的SM2公钥对数据发送方的身份进行认证,防止攻击者冒充合法身份连人到ModbusTCP网络中.2.2方案流程2.2.1注册阶段在该阶段ModbusTCP主站将自已的SM2公
13、钥传递给ModbusTCP主站,以便在数据安全传输网址 http:/121信息安全研究第10 卷第1期2 0 2 4年1月Journalotinformatien Security ResearchVol.10No.1Jan.2024阶段验证ModbusTCP主站的身份.注册阶段如下:1)M o d b u s T C P主站连接ModbusTCP从站,并通过从站地址在预配置表中获取对应的预共享密钥Key,将Key和自身SM2公钥PK。作为SM3算法的哈希输入生成哈希值Hi,并将PK与H发送至ModbusTCP从站.即SendMsg=PK.+H(PK。I l K e y).2)M o d b
14、u s T C P从站接收到消息后通过Modbus主站的IP地址在预置表中获取对应的预共享密钥Key,并通过接收到的SendMsg中的PK。和Key为输入,通过SM3算法计算哈希值H2,若H和Hi相等,则证明ModbusTCP主站发来的SM2公钥PK。没有被非法篡改,此时,ModbusTCP从站将PK。放人预置表对应的位置.2.2.2楼数据安全传输阶段注册阶段结束后进人数据安全传输阶段.在该阶段对ModbusTCP的关键数据进行安全传输.因为无论是ModbusTCP主站还是ModbusTCP从站,都会接收消息和发送消息,所以在该阶段以发送方和接收方作为主体进行说明1)对于发送方,进行如下操作:
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