Modbus tcp/ip là gì

Bài đầu tiên trong loạt bài xích về bảo mật thông tin trong môi trường thiên nhiên OT đã ra mắt chung về hệ thống điều khiển công nghiệp. Trong bài tiếp theo này, cửa hàng chúng tôi đi vào việc bảo mật của một giao thức lâu đời và phổ biến nhất của môi trường xung quanh này – giao thức Modbus.

Bạn đang xem: Modbus tcp/ip là gì

1. Giới thiệu tầm thường về Modbus

1.1. Modbus là gì

Modbus là một trong những giao thức media mở được cách tân và phát triển bởi Modicon (giờ là một phần của Schneider Electric) nhằm kết nối truyền thông các trang bị với nhau, liên kết với cỗ điều khiển. Thuở đầu Modbus sử dụng liên kết RS232 nhưng sau đó sử dụng trên cả RS485 và RS422 nhằm đạt unique tốt hơn, tốc độ cao rộng và khoảng cách truyền xa hơn. Trong liên kết Modbus tất cả Master/Slave (Cũng có thể hiểu Server/Client). Một đồ vật Master kết nối được với cùng 1 hoặc các thiết bị Client. Hay thì lắp thêm PLC (Bộ tinh chỉnh và điều khiển khả trình) là Master còn trang bị trường là Client. Khi 1 thiết bị Master (PLC) mong mỏi có tin tức từ trang bị Client thì Master sẽ phát đi một thông điệp yêu cầu đến đông đảo thiết bị Client, tuy nhiên chỉ bao gồm một thứ Client được yêu cầu sẽ phản hồi lại. Modbus được sử dụng thoáng rộng trong truyền thông công nghiệp, một mạng media Modbus điển hình nổi bật được biểu hiện trong hình dưới.

Hình 1: Mạng truyền thông Modbus điển hình

Modbus là giao thức tin nhắn sinh sống lớp áp dụng (lớp 7) trong quy mô OSI. Nó hoàn toàn có thể được áp dụng để kết nối những thiết bị trường như sensor với motor với các bộ điều khiển, laptop để thu thập, đo lường, giám sát các thông số kỹ thuật trạng thái thiết bị và điều khiển các máy đó. Modbus sử dụng để kết nối các thiết bị ngôi trường với PLC, PLC với SCADA, giữa các các bộ tinh chỉnh với nhau. Modbus Gateway được áp dụng như bộ chuyển đổi, chuyển tiếp tài liệu truyền thông.

Modbus là giao thức media tin nhắn hỏi/trả lời: Mỗi trang bị được đính thêm một add duy nhất. Mỗi lần yêu ước hỏi, toàn bộ các thiết bị gồm kết nối truyền thông media đến các nhận được yêu ước nhưng chỉ bao gồm duy nhất lắp thêm có địa chỉ cửa hàng như trong yêu ước sẽ bội nghịch hồi đáp ứng trả lời.

Hình 2: Yêu mong và bình luận thông điệp Modbus

vào công nghiệp, giao thức Modbus thường được áp dụng các chuẩn chỉnh sau: Modbus ASCII, Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Modbus TCP/IP Security. Modbus ASCII với Modbus RTU hay được thực hiện ở hiện tại trường (Fieldbus) cùng với kết nối truyền thông media nối tiếp. Modbus TCP/IP thực hiện ở hồ hết nơi trong mạng truyền thông công nghiệp với kết nối TCP/IP. Modbus TCP/IP Security thực hiện để đảm bảo bình an thông tin.

truyền thông Modbus, với media nối tiếp tất cả 3 lớp (Vật lý, links dữ liệu, ứng dụng), với media TCP/IP tất cả 4 lớp (Vật lý, liên kết dữ liệu, mạng, ứng dụng).

Hình 3: đối sánh giữa Modbus và quy mô OSI

1.2. Modbus ASCII cùng Modbus RTU

- Modbus ASCII áp dụng kết nối truyền thông media nối tiếp, mã hóa Hex

- Modbus RTU áp dụng kết nối truyền thông nối tiếp, mã hóa nhị phân.

Giao thức Modbus cung ứng tối đa 247 lắp thêm Slave được kết nối thông suốt vào Master (không qua những thiết bị chuyển tiếp). Cùng với cổng liên kết RS232, Modbus có khoảng cách truyền tối đa là 200m; với cổng liên kết RS485 khoảng cách này là 1200m.

kích cỡ tối nhiều của lời nhắn Modbus là 256 bytes cùng tuân theo format dưới đây:

trong những số đó Additional address chứa showroom của thiết bị buộc phải tương tác, Function code là mã hàm biện pháp lệnh đó sẽ thực hiện tác dụng gì (xem bảng dưới), Data là dữ liệu, Error kiểm tra dùng để bình chọn lỗi theo phương thức CRC (Cyclic Rredundancy Check).

Modbus function code	Đọc ghi Slave (Master) – địa chỉ cơ bản
0	Thông tin tiếp thị đến tất cả các thiết bị
1	Đọc đầu ra bits: 1 cho 2000 bits trên yêu cầu
2	Đọc intput bits: 1 cho 2000 bits trên yêu cầu
3	Đọc Holding registers: 1 mang đến 125 words trên yêu cầu
4	Đọc input words: 1 mang đến 125 words bên trên yêu cầu
5	Ghi 1 output bit: 1 bit bên trên yêu cầu
6	Ghi một holding register: 1 word trên yêu cầu
8,9,10,11	Cung cấp các chẩn đoán truyền thông media thiết bị Slave
15	Ghi một hoặc những Output bits: 1 đến 1968 bits trên yêu cầu
16	Ghi một hoặc nhiều Holding registers: 1 mang lại 123 words bên trên yêu cầu.

Bảng 1 Modbus function code

các thành phần nêu trên được phối kết hợp để làm cho Modbus Frame format bao gồm một ADU (Application Data Unit) với một PDU (Protocol Data Unit).

ADU: Additional address + PDU + Error check

PDU: Function code + Data

1.3. Modbus TCP/IP

- Modbus TCP/IP: Sử dụng truyền thông TCP/IP để gói (wrap up) gói phần Function code cùng Data của Modbus nối liền vào gói tin TCP/IP, được cho phép định tuyến vấn đề truyền gói tin, hỗ trợ nhiều máy hơn, bên cạnh đó tăng khoảng cách truyền tin.

- Modbus TCP/IP áp dụng khối PDU của size tin nhắn Modbus RTU

tiếp nối chèn góp thêm phần MBAP (Modbus Application Protocol), được form tin nhắn Modbus TCP/IP

MBAP Header, 7 bytes được phân phối đầu của form tin nhắn.

Transaction ID: 2 bytes

Protocol ID: 2 bytes

Length: 2 bytes

UnitID: 1 byte

rất có thể hiểu dễ dàng Modbus TCP/IP là giao thức Modbus RTU với bối cảnh TCP chạy trên Ethernet. TCP/IP cung cấp phương nhân thể truyền mang lại tin nhắn Modbus TCP/IP. Nói bí quyết khác, TCP/IP được cho phép khối tài liệu nhị phân được điều đình giữa những máy tính. Công dụng chính của TCP là bảo đảm rằng toàn bộ các gói dữ liệu được trao chính xác, trong những khi IP bảo đảm rằng các thông điệp được giải pháp xử lý và định tuyến thiết yếu xác. Sự phối kết hợp TCP/IP chỉ là 1 trong giao thức truyền sở hữu và không xác định chân thành và ý nghĩa của tài liệu và nội dung dữ liệu. Modbus TCP/IP thực hiện TCP/IP và Ethernet để mang tài liệu của cấu trúc tin nhắn Modbus giữa các thiết bị tương thích với chuẩn chỉnh mạng (TCP/IP). Thông điệp Modbus TCP/IP là một tiếp xúc Modbus được gói gọn trong TCP/IP Ethernet. Trong thực tế, Modbus TCP nhúng khung dữ liệu Modbus vào khung TCP, đã loại bỏ đi CRC của Modbus. Mã CRC của khung tin nhắn Modbus được một số loại bỏ, showroom khung Modbus được thay thế sửa chữa bởi mã định danh đơn vị trong Modbus TCP/IP và trở thành một phần của tiêu đề giao thức áp dụng Modbus (MBAP). ADU được nhúng vào trường tài liệu của khung TCP tiêu chuẩn và được gửi vào TCP port 502. Cổng này được dành cho các vận dụng Modbus, toàn bộ các vật dụng Modbus Server với Modbus Client nhận cùng truyền dữ liệu Modbus trải qua port 502.

1.4. Modbus TCP/IP Security

Giao thức Modbus/TCP Security là một biến thể tập trung vào bảo mật thông tin của giao thức Mobdbus/TCP sử dụng phối hợp TLS (Transport Layer Security). Modbus.org đã đăng ký tên Modbus Security Application Protocol đến giao thức này, port 802 với tổ chức triển khai IANA (Internet Asigned Numbers Authority) là MBAP/TLS/TCP.

Giao thức mới giúp cho việc kiểm soát điều hành tốt hơn những lỗ hổng thiếu bảo mật, thiếu hụt tính toàn vẹn, thiếu đúng đắn của giao thức Modbus TCP. Phối hợp TLS với Modbus, cung cấp tính đảm bảo và tính đảm bảo an toàn toàn vẹn, giảm thiểu tính phạt lại, hỗ trợ sự hoạt bát về mật mã.

bảo mật thông tin lớp vận chuyển, TLS, là một bổ sung cần thiết bởi nó hỗ trợ các cơ chế bảo mật thông tin mà Modbus TCP/IP còn thiếu. Khóa MAC trong TLS Header như thể khóa để hai sản phẩm đầu cuối xác thực nhau. Kích thước dung tích lượng tin nhắn Modbus cũng rất được mã hóa vào TLS Header, đảm bảo tính toàn diện của dữ liệu. Giao thức TLS phối kết hợp một chuổi được gọi là TLS Handshake, mã đảm bảo MAC được nhờ cất hộ đến người nhận tin tức để bảo vệ tính trọn vẹn của dữ liệu, chống chặn các cuộc tấn công “Man in the middle”.

TLS giúp sút thiểu việc thiếu xác xắn của giao thức Modbus, ngăn ngừa việc giới thiệu một yêu ước tùy ý nhờ cất hộ đến những thiết bị đầu cuối.

1.5. Cách thức thao tác làm việc của Modbus

Thông thường: từng một kết nối sẽ có được Server (master) cùng Client (slave). Trong truyền thông media PLC cùng với nhau: một máy đóng sứ mệnh là hệ thống (master), một đồ vật đóng mục đích là Client (Slave). Liên kết giữa 2 lắp thêm Modbus áp dụng nền tảng truyền thông media TCP/IP như hình

Hình 4: kết nối giữa 2 máy modbus sử dụng truyền thông media TCP/IP

ID là showroom định danh thiết bị đề xuất kết nối.

Modbus function là mã hàm nên thực hiện.

Một số phương án chuyên dụng liên kết Modbus trong công nghiệp cần sử dụng thiết bị hãng Prosoft, hoặc lắp thêm hãng Moxa,…

Hình 5: Một phương án sử dụng máy Prosoft

giải pháp sử dụng sản phẩm Prosoft Gateway, model PLX32-EIP-MBTCP-UA. Đầu vào là dữ liệu từ thiết bị tinh chỉnh sử dụng truyền thông Modbus hoặc EtherNet. Đầu ra truyền thông media OPC-UA, kết nối với các thiết bị quản lý và vận hành (HMI, SCADA), quản lí lý, đo lường (Plant Business System) và các thiết bị điều khiển và tinh chỉnh khác (Other Clients).

Một chiến thuật sử dụng Modbus chi tiết hơn làm việc hình 6, sử dụng thiết bị của MoXa.

Hình 6: Một chiến thuật sử dụng thứ Moxa

(1) biểu đạt IO điều khiển thiết bị hiện trường

(2) Thiết bị biến hóa Tín hiệu IO/Modbus RTU của Moxa

(3) Thiết bị biến đổi Modbus RTU/ Modbus TCP của Moxa

(4) thứ PLC

(5) khối hệ thống điều khiển phân tán DCS

lúc lập trình vật dụng PLC sử dụng các khối hàm có sẵn Modbus Client với Modbus Server. Khối lệnh Modbus Client (Modbus Server) sử dụng để tùy chỉnh kết nối media giữa Client với Server, gởi yêu ước và nhận phản hồi.

2. Các điểm yếu và lỗ hổng bảo mật trong media Modbus

2.1. Các lỗ hổng bảo mật

- thiếu thốn bảo mật: toàn bộ các tin nhắn Modbus được truyền đi dưới dạng văn bạn dạng rõ ràng trên phương tiện đi lại truyền thông. Bởi một giải pháp nào kia một kẻ tấn công có thể lắp đặt một sản phẩm công nghệ thu vạc vào mạng Modbus. Kẻ tấn công hoàn toàn có thể đọc được toàn thể nội dung tin nhắn từ đó tiến hành các hành vi phá hoại.

Xem thêm: Những Câu Hỏi Đáp Về Sinh Lý Nam Giới Về Vô Sinh Nam, Khám Chữa Yếu Sinh Lý Ở Đâu

- thiếu thốn tính toàn vẹn: Không chất vấn được tính toàn diện trong giao thức vận dụng Modbus TCP/IP (vì đã vứt đi Error kiểm tra CRC). Một kẻ tấn công rất có thể đưa ra những yêu mong đến Master hoặc Slave, từ đó hoàn toàn hoàn toàn có thể đưa vào mạng những tin nhắn không phù hợp lệ tạo ra lỗi mạng.

- thiếu thốn xác thực: không có xác thực ở ngẫu nhiên cấp độ như thế nào của giao thức Modbus. Toàn bộ các vật dụng Modbus đa số không cần xác thực quyền truy cập vào mạng. Một kẻ tấn công nào rất có thể đưa một sản phẩm công nghệ khác vào mạng Modbus bao gồm sẵn nhưng không nên xác thực.

- Khung đơn giản: Modbus TCP/IP sử dụng TCP/IP với Ethernet để mang tài liệu của cấu tạo tin nhắn Modbus giữa những thiết bị tương hợp với chuẩn chỉnh mạng (TCP/IP). Tin nhắn Modbus có size giới hạn là 256 byte. Nếu như kẻ tiến công đưa vào những tin nhắn lỗi có size vượt vượt kích thước cho phép có thể tạo ra tình trạng buffer overflow.

- khối hệ thống điều khiển tích hợp các giao thức truyền thông khác biệt được kết nối với Modbus nhằm truyền nhận dữ liệu phục vụ công dụng điều khiển giám sát thiết bị sản xuất. Một kẻ tấn công hoàn toàn có thể thông qua giao thức không giống để truy vấn vào dữ liệu và bộc lộ của thiết bị sử dụng Modbus để tiến hành các hành vi phá hoại.

- vào các khối hệ thống sử dụng Modbus, các trạm điều khiển và tinh chỉnh có tác dụng sử dụng như là nhau thường thực hiện chung một thiết kế. Một kẻ tấn công rất có thể dùng những thông tin có sẵn tự trạm tinh chỉnh này để tiến công vào một trạm điều khiển khác có công dụng lặp lại.

- những thiết bị điều khiển, thứ mạng… thường có thể truy cập vào, bởi tên và mật khẩu truy vấn để mang định ở trong phòng sản xuất. Kẻ tấn công có thể dùng những thông tin để xâm nhập vào mạng Modbus và tiến hành các hành động phá hoại.

- con số kết nối Modbus được cho phép nhiều hơn thực tiễn sử dụng. Trong thực tế sử dụng người dùng để mặc định setup của công ty sản xuất chất nhận được số lượng buổi tối đa các thiết bị kết nối, một kẻ tấn công có thể thâm nhập vào, thực hiện các showroom kết nối chưa sử dụng đến và tiến hành các hành động phá hoại.

- khối hệ thống công nghiệp không tiếp tục được update hoặc update chậm hoặc không đồng nhất hóa phần mềm. Kẻ tấn công rất có thể tận dụng lỗ hổng của những phiên bạn dạng cũ, xâm nhập vào hệ thống để triển khai các hành vi phá hoại. Điều này đúng với mọi giao thức trong môi trường thiên nhiên công nghiệp nói chung, không những với riêng Modbus.

2.2. Một số giải pháp thâm nhập khối hệ thống SCADA thực hiện Modbus

Để có thể thâm nhập vào khối hệ thống SCADA sử dụng mạng truyền thông Modbus, thực hiện theo 3 cách sau. Từng bước một ta rất có thể sử dụng một trong số các biện pháp được thể hiện mặt dưới.

Bước 1: xâm nhập vào khối hệ thống SCADA, sử dụng 1 trong các 5 bí quyết sau.

(1) truy cập vật lý tới các thiết bị trường từ bỏ xa.

(2) truy cập vào mạng media SCADA. (Kết nối thứ lý cho tới mạng media SCADA, dùng phần mềm hoặc thiết bị chuyên sử dụng quét và thu thập thông số, giữ lượng mạng,).

(3) truy cập vào mạng tinh chỉnh quy trình PCN (Process Control Network).

(4) truy vấn từ xa tới PCN trải qua mạng IT.

(5) truy cập thông qua bên thứ 3 (Thông qua những nhà thầu).

Bước 2: thừa nhận dạng những thiết bị Modbus, sử dụng 1 trong những 5 bí quyết sau:

(1) quan hệ giới tính xã hội (Social Engineering)

(2) Quét cổng TCP 502

(3) Quét thông điệp Modbus

(4) Quét ứng dụng ứng dụng

(5) Nghe lén tin tức mạng

Bước 3: có tác dụng tổn hại mang lại master Modbus

(1) tấn công vật lý vào master.

Truy cập thiết bị lý cho tới master, hoàn toàn có thể xác định địa chỉ cửa hàng và mật khẩu nếu như có.

(2) tấn công mạng vào master, rất có thể làm tổn hại bằng một trong các 2 phương pháp truy cập:

(2.1) truy vấn được vào mạng Non-Blind

- làm cho tổn hại mang đến master (Thay đổi địa chỉ cửa hàng ID, biến hóa thông số cài đặt truyền thông, …).

- làm cho tổn hại đến Primary HMI Application (có thể đổi khác thông số thiết lập mạng, thay đổi giao diện ứng dụng, đổi khác hoặc xóa khỏi giao diện điều khiển).

- có tác dụng tổn hại mang đến Secondary HMI Application (có thể biến hóa thông số cài đặt mạng, biến đổi giao diện ứng dụng, biến đổi hoặc xóa sổ giao diện điều khiển).

(2.2) có tác dụng tổn sợ Master trải qua Slave hoặc liên kết truyền thông media SCADA.

2.3. Một ví du: Modbus Flooding Attack

Modbus Flooding Attack là giải pháp mà kẻ tấn công đưa những gói tin vào mạng cục bộ, kết nối giao diện người máy và khối hệ thống điều khiển, làm đứt quãng các hoạt động bình thường của nó. Kẻ tiến công không nỗ lực ngăn chặn những gói tin đến khối hệ thống điều khiển mà chỉ gửi đến một lượng to hơn số lượng bình thường.

Giao thức Modbus dễ bị ảnh hưởng bởi kiểu tấn công này cũng chính vì nó không tồn tại cơ chế phát hiện hoặc phủ nhận các gói tin sai, to hơn bình thường. Giao thức Modbus TCP/IP cũng không có cơ chế xác thực, bảo đảm tính toàn vẹn, vì chưng vậy hệ thống có thể gật đầu các gói tin giả nhưng mà kẻ tiến công đưa vào. ứng dụng sau là 1 công cụ có chức năng tấn công vào khối hệ thống điều khiển trải qua giao thức Modbus.

ra mắt phần mềm TCP Modbus hacker và phương pháp hoạt động:

- TCP Modbus Hacker là 1 ứng dụng Java dùng làm tấn công theo phong cách gây tràn trề (flooding attack) vào một trong những mạng điều khiển sử dụng Modbus. Ứng dụng gồm hai phần đó là đọc và ghi các thanh ghi vào mạng điều khiển. Những thanh ghi này chính là các tín hiệu, dữ liệu tinh chỉnh và điều khiển thiết bị trường như bơm, cảm biến, van, … Phần mềm có chức năng đọc được toàn bộ các thanh ghi của khối hệ thống để khẳng định các thanh ghi đang hoạt động (thu thập tài liệu hiện trường). ứng dụng cũng chất nhận được ghi một hoặc nhiều thanh ghi vào hệ thống (đưa vào các lệnh điều khiển), qua đó, kẻ tấn công có thể thu thập được tài liệu hiện trường với đưa các lệnh điều khiển và tinh chỉnh vào hệ thống điều khiển. Phần mềm chất nhận được kẻ tấn công đổi khác tốc độ các câu lệnh được chuyển vào bằng cách giảm thời gian dừng giữa các lệnh xuống mili giây. ứng dụng cũng cho phép kẻ tấn công rất có thể tạm ngừng hoặc liên tục tấn công. Giao diện phần mềm như hình.

Hình 7: Giao diện phần mềm TCP Modbus Hacker

- khi kẻ tiến công sử dụng ứng dụng TCP Modbus tin tặc để tiến công vào khối hệ thống điều khiển, kẻ tiến công đưa những lệnh tinh chỉnh gửi mang lại PLC (bộ điều khiển khả trình) vào khi những lệnh tinh chỉnh và điều khiển từ HMI (giao diện fan máy) cũng gửi tới PLC. ứng dụng TCP Modbus Hacker cho phép kẻ tấn công hoàn toàn có thể gửi những lệnh tinh chỉnh và điều khiển tới bộ tinh chỉnh PLC cấp tốc hơn các lệnh tới từ HMI. Bộ điều khiển PLC nỗ lực thực hiện tất cả các lệnh nhưng mà nó nhận được, do vậy chắc chắn nó sẽ triển khai các lệnh cơ mà kẻ tấn công đưa vào hệ thống điều khiển. Kết quả kẻ tấn công rất có thể thực hiện các hành động phá hoại hệ thống điều khiển, làm dừng khối hệ thống điều khiển.

3. Kết luận

Giao thức Modbus được sử dụng rộng thoải mái trong công nghiệp sống mọi cấp độ điều khiển. Modbus là một giao thức truyền thông media mở, chứa được nhiều lỗ hổng bảo mật. Kẻ tấn công có thể tận dụng những lỗ hổng bảo mật thông tin của giao thức Modbus đột nhập vào các dây chuyền cung ứng để triển khai các hành động phá hoại bao gồm chủ đích tạo hiểm họa bình an sản xuất, cháy nổ, gây giới hạn máy, giảm unique sản lượng, …thiệt sợ lớn cho tất cả con fan và khiếp tế.

vì vậy cần phân tích triển khai các phương án quản lý, khắc phục, giảm thiểu những rủi ro an ninh liên quan mang lại giao thức Modbus để bảo đảm dây chuyền sản xuất vận động liên tục, hiệu quả, an toàn cao mang lại con fan và sản phẩm công nghệ với mục tiêu bảo đảm chất lượng, sản lượng với ngân sách chi tiêu sản xuất thấp./.

Tài liệu tham khảo

1. Http://www.modbus.org/

2. Http://www.simplymodbus.ca/index.html

3. SCADA MODBUS Protocol Vulnerabilities,

https://www.cyberbit.com/blog/ot-security/scada-modbus-protocol-vulnerabilities/

4. Hack the Modbus

https://radiflow.com/blog/hack-the-modbus/

5. Https://www.prosoft-technology.com/

6. Https://www.moxa.com/en/

7. Practical Modbus Flooding Attack & Detection, Sajal Bhatia, Nishchal Kush, Chris Djamaludin, James Akande, Ernest Foo.

https://dl.acm.org/doi/pdf/10.5555/2667510.2667517

9. Industrial Network Security: Securing Critical Infrastructure Networks for Smart Grid, SCADA, and Other Industrial Control Systems, Eric D. Knaap.