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(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。Modbus協(xié)議是應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。Modbus協(xié)議是應(yīng)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(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1、概述

SCADA、DCS、PCS、PLC等工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于工業(yè)、能源、交通、水利以及市政等領(lǐng)域，用于控制生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)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(yùn)行和國家經(jīng)濟(jì)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失，技術(shù)防護(hù)措施不到位，安全防護(hù)能力和應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)。對此，各地區(qū)、各部門、各單位務(wù)必高度重視，增強(qiáng)風(fēng)險意識、責(zé)任意識和緊迫感，切實加強(qiáng)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(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程,如何回應(yīng)來自其它設(shè)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(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)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(yīng)，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(luò)上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、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(luò)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。控制器層和操作站層之間的通訊遵循Modbus協(xié)議。目前的現(xiàn)狀是大多數(shù)控制網(wǎng)絡(luò)中在運(yùn)行的電腦，很少或沒有機(jī)會安裝全天候病毒防護(hù)或更新版本?？刂破鞯脑O(shè)計都以優(yōu)化實時的I/O功用為主，而並不提供加強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)連接安全防護(hù)功能。并且許多控制網(wǎng)絡(luò)都是“敞開的”，不同的子系統(tǒng)之間都沒有有效的隔離，當(dāng)操作站層面出現(xiàn)問題被攻擊后，病毒就通過網(wǎng)絡(luò)迅速蔓延，影響到控制層設(shè)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(fēng)險，基本都遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-99Standards的要求進(jìn)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(luò)應(yīng)與其他系統(tǒng)隔離，包括企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)安全要點如下：

需要注意的是，商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全需求與控制網(wǎng)絡(luò)的安全需求在某些地方完全不同。就工業(yè)領(lǐng)域通訊應(yīng)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(luò)要求的安全防護(hù)，并且不利于后期維護(hù)。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(luò)攻擊防御能力。想要滿足這一安全要求，Tofino是一種經(jīng)濟(jì)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(shè)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(luò)與過程系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)與非關(guān)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(hù)，主要體現(xiàn)在：

（1）工業(yè)型：

●參照ANSI/ISA-99Standards的安全要求為設(shè)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(hù)。

●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(hù)，更重要的是基于應(yīng)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(dú)特的、工業(yè)級的專業(yè)隔離防護(hù)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(jìn)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(shè)計，導(dǎo)軌式安裝，低功耗無風(fēng)扇，具備二區(qū)防爆認(rèn)證。

（2）獨(dú)有專利安全連接技術(shù)：

●首先防火墻自身是基于非IP的獨(dú)有專利安全連接技術(shù)進(jìn)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(shè)備的IP地址，讓入侵者無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，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(luò)交通*一樣管控通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的路徑、對象以及數(shù)據(jù)流的方向，可以設(shè)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(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)ANSI/ISA-99和NERC-CIP標(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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(fēng)險的情況下進(jìn)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(dāng)關(guān)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(dú)特性的一個方面。

（5）實時網(wǎng)絡(luò)通訊透視鏡：

能夠為目前控制網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(rèn)、歷史記錄，保證控制網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)型工業(yè)環(huán)境要求設(shè)計，即插即用，應(yīng)用于受保護(hù)的區(qū)域或控制器等關(guān)鍵設(shè)備之前。下圖為Tofino安全模塊硬件的兩種選型。硬件設(shè)計遵循增強(qiáng)型工業(yè)環(huán)境要求，應(yīng)用于受保護(hù)的區(qū)域或控制器等關(guān)鍵設(shè)備之前，設(shè)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(shè)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(wù)。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(luò)交通*，提供防火墻及網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(shè)備學(xué)習(xí)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(yù)先組態(tài)用于高級過濾和攻擊保護(hù)的“特殊規(guī)則”。符合ANSI/ISA-99.00.02的網(wǎng)絡(luò)分段要求，達(dá)到區(qū)域隔離目標(biāo)。

●ModbusTCPEnforcerLSM通信深度檢測及防護(hù)；

*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(shè)備資產(chǎn)管理；

像雷達(dá)一樣，Tofino的安全設(shè)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(shè)備進(jìn)行通訊的設(shè)備。不過，為了避免引起進(jìn)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(shù)。

●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(luò)設(shè)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(luò)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(luò)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(rèn)、歷史記錄，保證控制網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(luò)安全分區(qū)?，確定在何處放置TOFINO安全設(shè)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(wù)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(jī)器。

結(jié)合上述控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本方案對Modbus通信部分控制設(shè)備需要進(jìn)行的保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）基于保護(hù)控制層設(shè)備的目的，本方案中將控制層設(shè)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(shè)備置于TSA之后，與操作站層進(jìn)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(jìn)行通信，建議配置的LSM軟插件如下：

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

3.4方案目標(biāo)

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

●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(luò)間的通信。這樣意味著網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層對特有的工業(yè)通訊協(xié)議進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(luò)安全解決方案針對控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特別設(shè)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(hù)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(luò)特點而設(shè)計的專業(yè)安全設(shè)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(dú)立的關(guān)鍵控制設(shè)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(luò)通信安全而設(shè)計?，F(xiàn)場技術(shù)人員只需簡單為Tofino接入電源，并連接兩個網(wǎng)絡(luò)的電纜即可，無需其他任何操作。一旦安裝成功，技術(shù)人員即可毫不費(fèi)力地管理任何系統(tǒng)，以總攬公司大局的方式對網(wǎng)絡(luò)威脅做出及時反應(yīng)。zui重要的是，Tofino既可以靈活運(yùn)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(shè)備并且分布全球各地的大型跨國集團(tuán)的使用要求。

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