Modbus協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些

　　既然購(gòu)物能通過(guò)一套規(guī)則做到這么便捷，那么通信是不是也能做到?答案是肯定的，因?yàn)橥ㄐ啪褪菙?shù)據(jù)交互，也可以通過(guò)制定一套規(guī)則來(lái)方便數(shù)據(jù)交互，這種規(guī)則就是通信協(xié)議。萬(wàn)事開(kāi)頭難，整明白了協(xié)議以及通信協(xié)議，那么MODBUS就說(shuō)清楚了一半，因?yàn)镸ODBUS就是一種通信協(xié)議，那么MODBUS是怎樣的一種通信協(xié)議呢?

　　眾所周知，網(wǎng)購(gòu)的規(guī)則是為了協(xié)調(diào)買家、賣家、第三方平臺(tái)之間的關(guān)系，規(guī)定了各方享有的權(quán)利和承擔(dān)的義務(wù)，提出一些完成交易需要的步驟和方法。大家直接就能想到的場(chǎng)景，比如說(shuō)電商會(huì)展示商品和服務(wù)內(nèi)容(買、可退換)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(淘寶、天貓)制定了交易的規(guī)則，以及快遞公司定義了傳輸商品的方式(包裹、快遞單)。

　　同樣道理，MODBUS通信協(xié)議是為了方便控制器、設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，表面上由類似于“用戶須知”一樣的諸多條文組成，其實(shí)也就是說(shuō)了幾件事情：協(xié)議功能、通信內(nèi)容、通信規(guī)則、通信數(shù)據(jù)格式。

　　1)通信功能：MODBUS通信協(xié)議定義的功能包括讀、寫、診斷，這里可以想象一下，當(dāng)你打電話辦理某個(gè)業(yè)務(wù)，語(yǔ)音提示你：請(qǐng)輸入您想辦理業(yè)務(wù)，按鍵1查詢，2充值，0人工服務(wù)，這不就是功能碼嘛!

　　2)通信內(nèi)容：正如電商會(huì)展示出商品供大家選擇一樣，MODBUS通信協(xié)議定義了通信的內(nèi)容包括保持型寄存器、輸入寄存器、線圈等。商品有小件也有大件的，能退也有不能退的，這些通信的內(nèi)容也是有的可以讀寫，有的只能讀。

　　3)通信規(guī)則：MODBUS通信協(xié)議采用客戶端/服務(wù)器模式進(jìn)行通信，可以看看圖表2對(duì)這種通信模式與網(wǎng)購(gòu)的類比。顯然兩個(gè)客戶端是沒(méi)辦法直接通信的，因?yàn)閮蓚€(gè)買家能干嘛?

　　4)通信數(shù)據(jù)格式：網(wǎng)購(gòu)后，賣家會(huì)采用物流投遞，快遞公司不會(huì)像餐廳侍者一樣，托著商品呈遞到家中，而采用包裹的形式，按照快遞單據(jù)準(zhǔn)確送達(dá)，這就是網(wǎng)購(gòu)貨品的形式。

　　MODBUS通信協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，也需要“打包”和“快遞單”。假如說(shuō)貨品是一個(gè)保持寄存器，那么打包過(guò)程就是將保持寄存器的值用功能碼包裝，形成協(xié)議數(shù)據(jù)PDU(類似于包裹);貨品貼上快遞單就是說(shuō)數(shù)據(jù)PDU被加上了地址和差錯(cuò)校驗(yàn)(即)后形成一幀完整的通信數(shù)據(jù)(應(yīng)用數(shù)據(jù)ADU)。

　　Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等。并且沒(méi)有指定物理層。該協(xié)議定義了控制器可以識(shí)別和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們通過(guò)什么網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。標(biāo)準(zhǔn)Modicon控制器采用RS232C實(shí)現(xiàn)串行Modbus。Modbus的ASCII和RTU協(xié)議規(guī)定了消息和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，命令和應(yīng)答方式。數(shù)據(jù)通信采用主從模式，主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息。從屬設(shè)備收到正確的消息后，可以向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)以響應(yīng)請(qǐng)求。主終端也可以直接發(fā)送消息修改從終端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

　　Modbus協(xié)議需要檢查數(shù)據(jù)。除了奇偶校驗(yàn)，ASCII模式使用LRC校驗(yàn)，RTU模式使用16位CRC校驗(yàn)，但TCP模式?jīng)]有額外的校驗(yàn)，因?yàn)門CP協(xié)議是可靠的面向連接的協(xié)議。另外，Modbus采用主從模式，定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，如果從站斷開(kāi)(如故障或關(guān)機(jī))，主終端可以進(jìn)行診斷，故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)連接。所以Modbus協(xié)議的可靠性更好。

　　Modbus 協(xié)議是典型的工控網(wǎng)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(lái)說(shuō)，協(xié)議安全性問(wèn)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(wèn)題; 另一種是協(xié)議的不正確實(shí)現(xiàn)引起的安全問(wèn)題。Modbus 協(xié)議也存在著這兩方面的問(wèn)題。

　　Modbus 協(xié)議的固有問(wèn)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(méi)考慮過(guò)安全性問(wèn)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(wèn)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(wèn)題。

　　( 1) 缺乏認(rèn)證

　　認(rèn)證的目的是保證收到的信息來(lái)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(guò)程中，沒(méi)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(guò)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(lái)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(méi)有基于角色的訪問(wèn)控制機(jī)制，也沒(méi)有對(duì)用戶分類，沒(méi)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(guò)程中雙方的信息不被第三方非法獲取。Modbus 協(xié)議通信過(guò)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(wú)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(wèn)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(kāi)發(fā)者并不具備安全知識(shí)或者沒(méi)有意識(shí)到安全問(wèn)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(wèn)題

　　Modbus 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者重點(diǎn)關(guān)注的是其功能實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，安全問(wèn)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(wèn)題。比如在通信過(guò)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(wèn)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(guò)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(kāi)發(fā)中最常見(jiàn)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(lái)控制系統(tǒng)。Modbus 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者大多不具備安全開(kāi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(kāi)始

　　工控網(wǎng)絡(luò)漏洞，很大一部分是其實(shí)現(xiàn)過(guò)程出現(xiàn)的漏洞。如果從源頭開(kāi)始控制，從Modbus 系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)、開(kāi)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(méi)有攻擊者，因此開(kāi)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(wèn)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)后的時(shí)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(gè)串行設(shè)備，通過(guò)設(shè)置，只允許特定的地址訪問(wèn)服務(wù)端，禁止外部地址訪問(wèn)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(lái)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。

　　至于ModbusASCII、RTU和TCP協(xié)議，其中TCP和RTU協(xié)議非常相似，我們只需要去掉RTU協(xié)議的兩字節(jié)校驗(yàn)碼，然后在RTU協(xié)議開(kāi)頭加上五個(gè)零和一個(gè)六，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去。

　　綜上所述，MODBUS就是包含以上4個(gè)內(nèi)容的通信協(xié)議。其實(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的一些技術(shù)并不是特別深?yuàn)W，能從生活中找到原型，你看MODBUS通信協(xié)議不也是可以很俗很直觀的嗎?