Modbus TCP通訊安全解決方案

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

摘要：Modbus TCP通訊安全解決方案資訊由優(yōu)秀的流量計、流量儀生產(chǎn)報價廠家為您提供。Modbus是由Modicon在1979年發(fā)明的，是全球*個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。在我國，Modbus已經(jīng)成為國家標準GB/T19582-2008。Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控。更多的流量計廠家選型號價格報價歡迎您來電咨詢，下面是Modbus TCP通訊安全解決方案文章詳情。

Modbus是由Modicon在1979年發(fā)明的，是全球*個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。在我國，Modbus已經(jīng)成為國家標準GB/T19582-2008。Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。

1、概述

SCADA、DCS、PCS、PLC等工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛運用于工業(yè)、能源、交通、水利以及市政等領域，用于控制生產(chǎn)設備的運行。一旦工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全出現(xiàn)漏洞，將對工業(yè)生產(chǎn)運行和國家經(jīng)濟安全造成重大隱患。工信部協(xié)[2011]451號通知明確指出，我國工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理工作中仍存在不少問題，主要是對工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全問題重視不夠，管理制度不健全，相關標準規(guī)范缺失，技術防護措施不到位，安全防護能力和應急處置能力不高等，威脅著工業(yè)生產(chǎn)安全和社會正常運轉(zhuǎn)。對此，各地區(qū)、各部門、各單位務必高度重視，增強風險意識、責任意識和緊迫感，切實加強工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理。

使用Modbus協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡,進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程,如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當在一Modbus網(wǎng)絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。Modbus具有以下幾個特點：

●標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。

●Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

●Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

2、現(xiàn)狀與分析

簡單的系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如上圖所示，由信息層（Informationzone）、操作站層（Stationzone）和控制器層（Controllerzone）三大部分組成?？刂破鲗雍筒僮髡緦又g的通訊遵循Modbus協(xié)議。目前的現(xiàn)狀是大多數(shù)控制網(wǎng)絡中在運行的電腦，很少或沒有機會安裝全天候病毒防護或更新版本。控制器的設計都以優(yōu)化實時的I/O功用為主，而並不提供加強的網(wǎng)絡連接安全防護功能。并且許多控制網(wǎng)絡都是“敞開的”，不同的子系統(tǒng)之間都沒有有效的隔離，當操作站層面出現(xiàn)問題被攻擊后，病毒就通過網(wǎng)絡迅速蔓延，影響到控制層設備，給工廠帶來巨大損失。

目前，石油化工，水處理以及制造業(yè)等為了避免重大風險，基本都遵守行業(yè)標準ANSI/ISA-99Standards的要求進行規(guī)劃。ANSI/ISA-99及NorthAmericanElectricReliabilityCouncil（NERC）CIP-005，均指出過程控制系統(tǒng)或SCADA控制網(wǎng)絡應與其他系統(tǒng)隔離，包括企業(yè)IT網(wǎng)絡，控制網(wǎng)絡安全要點如下：

需要注意的是，商業(yè)網(wǎng)絡的安全需求與控制網(wǎng)絡的安全需求在某些地方完全不同。就工業(yè)領域通訊應用來講，網(wǎng)閘及普通IT防火墻在功能上存在一定局限性，無法實現(xiàn)基于工業(yè)控制網(wǎng)絡要求的安全防護，并且不利于后期維護。因此不要試圖將控制系統(tǒng)放入IT解決方案中，選用專有的控制系統(tǒng)防火墻加上良好的控制系統(tǒng)安全策略才能為工業(yè)控制系統(tǒng)安全提供高效的網(wǎng)絡攻擊防御能力。想要滿足這一安全要求，Tofino是一種經(jīng)濟高效的方式。

3、Tofino解決方案

本方案主要致力于解決現(xiàn)場以Modbus協(xié)議通訊的控制層設備的安全問題。

3.1方案亮點

Tofino能夠用來分離安全系統(tǒng)網(wǎng)絡與過程系統(tǒng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)關鍵系統(tǒng)與非關鍵系統(tǒng)的物理隔離。與普通商用防火墻相比，Tofino更適于工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護，主要體現(xiàn)在：

（1）工業(yè)型：

●參照ANSI/ISA-99Standards的安全要求為設計理念，產(chǎn)品更具針對性和高效性，專門用于工業(yè)控制系統(tǒng)的安全保護。

●內(nèi)置50多種專有工業(yè)通信協(xié)議，與常規(guī)防火墻不同的是，Tofino防火墻不僅是在端口上的防護，更重要的是基于應用層上數(shù)據(jù)包深度檢查，屬于新一代工業(yè)通訊協(xié)議防火墻，為工業(yè)通訊提供獨特的、工業(yè)級的專業(yè)隔離防護解決方案。

●具備在線修改防火墻組態(tài)功能，可以實時對組態(tài)的防火墻策略進行修改，而且不影響工業(yè)實時通訊。其它防火墻需要斷電、重啟等。

●工業(yè)型設計，導軌式安裝，低功耗無風扇，具備二區(qū)防爆認證。

（2）獨有專利安全連接技術：

●首先防火墻自身是基于非IP的獨有專利安全連接技術進行管理，能夠阻擋任何欺騙式攻擊。

●能夠隱藏防火墻后端所有設備的IP地址，讓入侵者無法發(fā)現(xiàn)目標，更無從談發(fā)動任何攻擊。

●集防火墻與虛擬路由于一身，能夠像網(wǎng)絡交通*一樣管控通訊網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊的路徑、對象以及數(shù)據(jù)流的方向，可以設定數(shù)據(jù)流入、流出的單向或雙向。

（3）市面上*滿足ANSI/ISA-99和NERC-CIP標準

根據(jù)ANSI/ISA-99和NERC-CIP標準，TSA可以很方便的針對PLC、DCS、RTU、IED和HMI提供一個性價比很高的安全分區(qū)——一個配置得當?shù)谋Ｗo區(qū)域分組。

（4）特有‘測試’模式

‘測試’模式可以在對控制系統(tǒng)無任何風險的情況下進行防火墻和VPN測試。TEST模式不同于實際的操作模式，在TEST模式中，Tofino允許所有的通訊通過，但是由CMP報告在操作模式下任何可能被攔截的通訊。這一點對于工業(yè)或SCADA控制系統(tǒng)的安全操作相當關鍵，用傳統(tǒng)的IT防火墻是不可能實現(xiàn)的。這也是Tofino適合于工業(yè)控制系統(tǒng)的獨特性的一個方面。

（5）實時網(wǎng)絡通訊透視鏡：

能夠為目前控制網(wǎng)絡故障分析、監(jiān)控、記錄提供一個簡單、有效的可靠工具，能夠確切的觀察、分析、控制網(wǎng)絡通信電纜中所使用的通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)速度、訪問對象等。實現(xiàn)對非法通信的實時報警、來源確認、歷史記錄，保證控制網(wǎng)絡通訊的實時診斷。

3.2方案構(gòu)成

一個完整的Tofino安全解決方案包括以下四部分：

（1）Tofino安全模塊（TSA）

增強型工業(yè)環(huán)境要求設計，即插即用，應用于受保護的區(qū)域或控制器等關鍵設備之前。下圖為Tofino安全模塊硬件的兩種選型。硬件設計遵循增強型工業(yè)環(huán)境要求，應用于受保護的區(qū)域或控制器等關鍵設備之前，設計使用壽命27年，能夠提供安全系統(tǒng)的工業(yè)平臺。

（2）Tofino可裝載安全軟插件（LSM）

專為工業(yè)通訊協(xié)議設計的安全軟插件，可以直接裝載到Tofino安全模塊中，并根據(jù)系統(tǒng)需求提供各種定制安全服務。方案中可選的基本軟插件包括：

●TofinoFirewallLSM工業(yè)通信防火墻；

工業(yè)網(wǎng)絡交通*，提供防火墻及網(wǎng)絡交通控制功能的軟插件內(nèi)置50多個工業(yè)專用及商業(yè)IT通信協(xié)議，預先定義超過25個控制器類型（例如：西門子S7-300/S7-400，HoneywellPKSC200/C300/）；LSM在線協(xié)議組態(tài)，可自己定制通訊協(xié)議或者通過設備學習功能實現(xiàn)通訊協(xié)議定制；通過通訊協(xié)議指令級別的管控，預先組態(tài)用于高級過濾和攻擊保護的“特殊規(guī)則”。符合ANSI/ISA-99.00.02的網(wǎng)絡分段要求，達到區(qū)域隔離目標。

●ModbusTCPEnforcerLSM通信深度檢測及防護；

*能夠深入?yún)f(xié)議內(nèi)部檢測工業(yè)協(xié)議的產(chǎn)品，控制工程師可定義允許的Modbus指令，寄存器和線圈名單列表。自動阻止并報告任何流量不匹配您的規(guī)則。所有協(xié)議要被完整全面的檢查,檢察并阻止任何不符合Modbus通訊協(xié)議的通訊內(nèi)容。

●SecureAssetManagementLSM安全設備資產(chǎn)管理；

像雷達一樣，Tofino的安全設備資產(chǎn)管理（SAM）可裝載模塊可以追蹤每一個通過Tofino安全設備進行通訊的設備。不過，為了避免引起進程干擾，它實現(xiàn)這一功能使用的并不是傳統(tǒng)的掃描技術。

●EventLoggerLSM事件日志與報警管理；

Tofino事件記錄可裝載模塊對您的安全事件提供了可靠的監(jiān)控功能和記錄功能，它是一個專為工業(yè)控制網(wǎng)絡設計的日志記錄系統(tǒng)。

（3）Tofino中央管理平臺（CMP）

窗口化的中央管理平臺系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫，用于Tofino安全模塊的配置、組態(tài)和管理，并能實現(xiàn)系統(tǒng)的報警和日志的實時監(jiān)控和歷史查詢。能夠為目前控制網(wǎng)絡故障分析、監(jiān)控、記錄提供一個簡單、有效的可靠工具，能夠確切的觀察、分析、控制網(wǎng)絡通信電纜中所使用的通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)速度、訪問對象等。實現(xiàn)對非法通信的實時報警、來源確認、歷史記錄，保證控制網(wǎng)絡通訊的實時診斷。具備在線組態(tài)、在線監(jiān)控、資產(chǎn)管理等多種功能。

（4）Tofino安全管理平臺（SMP）

SMPServer接收CMP或TSA的日志和報警記錄，并將日志和報警存儲在服務器數(shù)據(jù)庫中。SMPClient安裝在辦公局域網(wǎng)上的辦公電腦中，支持以圖形的方式實時顯示CMP或TSA收集的日志和報警記錄，并且支持日志和報警的查詢。

3.3方案介紹與實施

產(chǎn)品的選型和方案的實施可以概括為以下三步，實際中對于不同的環(huán)境和安全要求，具體的方案和實施過程略有不同。

*步：創(chuàng)建網(wǎng)絡安全分區(qū)?，確定在何處放置TOFINO安全設備TSA。

第二步：確定需要哪些可裝載安全功能軟插件（LSMs），以確保每個區(qū)域安全不同的要求。

第三步：選擇一個服務器或工作站安裝TOFINO中央管理平臺CMP和Tofino安全管理平臺SMP，CMP和SMP也可以分別安裝在不同的機器。

結(jié)合上述控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，本方案對Modbus通信部分控制設備需要進行的保護進行詳細介紹。

（1）基于保護控制層設備的目的，本方案中將控制層設備作為一個安全分區(qū)，在控制層和操作站層之間部署一個TSA，將控制層設備置于TSA之后，與操作站層進行隔離。

（2）考慮到采用控制層和操作站層之間使用Modbus協(xié)議進行通信，建議配置的LSM軟插件如下：

（3）選擇網(wǎng)絡中合適的機器安裝CMP和SMP，也可以選用單獨的計算機安裝CMP和SMP，創(chuàng)建整個網(wǎng)絡模型，并設置合適的通信規(guī)則，確保網(wǎng)絡中只有合法的通信通過，這樣可以將全廠所有設備硬件都集中管理，對全廠控制網(wǎng)絡狀態(tài)一目了然。

3.4方案目標

該方案以建立縱深防御策略為主要思想，確保工廠網(wǎng)絡中即使某一點發(fā)生網(wǎng)絡安全事故，工廠也能正常運行，同時，工廠操作人員能夠很迅速的找到問題并進行處理，主要達到以下目標：

●區(qū)域隔離：Tofino工業(yè)防火墻插件能夠過濾兩個區(qū)域網(wǎng)絡間的通信。這樣意味著網(wǎng)絡故障會被控制在zui初發(fā)生的區(qū)域內(nèi)，而不會影響到其它部分；

●深度檢查：面向應用層對特有的工業(yè)通訊協(xié)議進行內(nèi)容深度檢查，告別病毒庫升級缺陷；

●通信管控：通信規(guī)則是可以通過中央管理平臺進行在線組態(tài)和測試的；

●實時報警：所有部署的防火墻都能由中央管理平臺統(tǒng)一進行實時監(jiān)控，任何非法的（沒有被組態(tài)允許的）訪問，都會在中央管理平臺產(chǎn)生實時報警信息，從而故障問題會在原始發(fā)生區(qū)域被迅速的發(fā)現(xiàn)和解決。

四、結(jié)束語

Tofino工業(yè)網(wǎng)絡安全解決方案針對控制系統(tǒng)網(wǎng)絡特別設計，旨在為其提供一種分區(qū)的安全解決方案。Tofino擁有極高的性價比，它能在工廠車間中建立深層防護架構(gòu)，因此，即使有黑客或病毒通過主要的企業(yè)防火墻，他們也將面對基于控制網(wǎng)絡特點而設計的專業(yè)安全設備。對工業(yè)企業(yè)來說TofinoSecuritySystem更意味著zui佳的安全效益和，并不只是簡單滿足了獨立的關鍵控制設備的安全要求。

不同于傳統(tǒng)的IT防火墻，Tofino專為工業(yè)環(huán)境控制網(wǎng)絡通信安全而設計?，F(xiàn)場技術人員只需簡單為Tofino接入電源，并連接兩個網(wǎng)絡的電纜即可，無需其他任何操作。一旦安裝成功，技術人員即可毫不費力地管理任何系統(tǒng)，以總攬公司大局的方式對網(wǎng)絡威脅做出及時反應。zui重要的是，Tofino既可以靈活運用在單純由PLC構(gòu)成的小型工廠中，又能夠滿足那些擁有成千上萬個設備并且分布全球各地的大型跨國集團的使用要求。

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Modbus TCP通訊安全解決方案