工業(yè)是一個國家的根本的經濟命脈，工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control Systems,，ICS）是工業(yè)自動化體系結構的重要組成部分。隨著工業(yè)4.0時代的到來,，工業(yè)網絡的安全性日益重要,。工業(yè)以太網EtherNet/IP協(xié)議使用原有的基于標準的以太網技術,，已經被大量使用在工業(yè)網絡控制系統(tǒng)中，其安全性一直備受關注,，國內對工業(yè)網絡協(xié)議安全性的研究很少。使用形式化分析工具Scyther在Delov-Yao模型和強安全模型下對EtherNet/IP協(xié)議核心成員通用工業(yè)協(xié)議（Control and Information Protocol,，CIP）所采用的加密認證TLS協(xié)議進行形式化分析,。對下一代CIP協(xié)議嵌入TLS1.3具有實踐價值，該方法對其他工業(yè)網絡協(xié)議進行有效的安全分析有理論指導意義,。

　　EtherNet/IP協(xié)議簡介和CIP介紹

　　EtherNet/IP協(xié)議結構和性能

　　EtherNet/IP（EtherNet/IP Industry Protocol）是由兩大組織ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）和ControlNet International于2001年正式推出的新的協(xié)議成員,。使用通用工業(yè)協(xié)議（CIP）作為上層協(xié)議，結合傳統(tǒng)的以太網協(xié)議技術和標準的TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協(xié)議共同構成EtherNet/IP協(xié)議的體系結構,，該協(xié)議是基于CIP協(xié)議的工業(yè)網絡協(xié)議,。EtherNet/IP協(xié)議有較好的互操作性能，而且數據傳輸距離長,，傳輸速率高,。CIP協(xié)議獨立于物理層和數據鏈路層之上，與設備介質無關,，可以將其移植到高性能的網絡設施上,。CIP封裝協(xié)議的主要任務是定義和規(guī)范了如何封裝和傳輸上層協(xié)議的報文，以及如何管理和利用下層TCP/IP鏈接,，起到承上啟下的作用,。EtherNet/IP協(xié)議網絡遵循開放的OSI模型。圖1是EtherNet/IP協(xié)議結構圖,。

　　由于以太網數據傳輸速度的大幅度提升和工業(yè)網絡交換機技術的快速發(fā)展,，在網絡高負載通信時EtherNet/IP協(xié)議也能夠滿足工業(yè)網絡對實時性和確定性的要求。EtherNet/IP協(xié)議使用高效的數據傳輸模式——生產者/消費者模式（Producer/Consummer）,。端點之間的聯(lián)系不是通過具體的源和目的地址關聯(lián)起來,，而是一個生產者可以對應多個消費者，使數據的傳輸達到了最優(yōu)化,。網絡源節(jié)點按照內容將數據進行標識,，采用組播的方式同時發(fā)送到多個節(jié)點，網絡上其他節(jié)點按照自己的需要通過標識符來確定要接收的數據,。避免了帶寬浪費,，節(jié)省了網絡資源，同時提高了系統(tǒng)的通信效率,。能夠很好地支持系統(tǒng)的控制,、組態(tài)和數據采集,，并且非實時性通信和實時性通信可以在同一子網中實現。但工業(yè)控制系統(tǒng)遭受越來越多的威脅,，主要是網絡協(xié)議自身的缺陷引起的,，EtherNet/IP協(xié)議也存在安全問題，需要進一步提高安全防護能力,。

　　CIP報文傳輸方式

　　CIP協(xié)議報文傳輸方式有顯式報文和隱式報文傳輸兩種方式,。當CIP協(xié)議嵌入UDP協(xié)議用于發(fā)送隱式報文（Implicit（I/O）Message）。而CIP協(xié)議嵌入TCP協(xié)議用于發(fā)送顯式報文（Explicit Message）,。兩種報文使用的封裝協(xié)議不同,，傳輸的消息類型也不同。CIP將應用對象之間的通信關系抽象為連接,，并與之相應制定了對象邏輯規(guī)范,，使CIP協(xié)議可以不依賴于某一具體的網路硬件技術，用邏輯來定義連接的關系,，在通信之前先建立連接獲取唯一的標識符（Connection ID,，CID），如果連接涉及雙向的數據傳輸,，就要分配兩個CID,。

　　顯式報文針對組態(tài)信息、設備配置,、故障診斷等非實時性信息,，其優(yōu)先級較低（包含解讀該報文所需要的信息），通過點對點的報文在兩個對象之間以交互的方式進行傳輸,。報文本身攜帶有關地址,、數據類型和功能描述等相關內容，接收設備根據內容做出相應的處理,，采用源/目的地址傳送方式,。在通信之前通過TCP協(xié)議獲得標識符CID，之后進行數據報文傳輸,。使用通信端口0XAF12f,。圖2是CIP顯示報文連接。

　　隱式報文用于節(jié)點之間傳輸實時I/O數據,、實時互鎖,，優(yōu)先級較高（隱式報文中不包含傳送地址、數據類型標識和功能描述內容）,，全部作為有效數據,，傳輸效率高，在報文頭部有數據標識符,，消費者根據標識符選擇自己需要的內容,，通過UDP協(xié)議將實時I/O消息傳送到總線上,。圖3是CIP隱式報文連接。

　　CIP通信安全

　　目前CIP協(xié)議仍然使用IETF標準TLS1.2（Transport Layer Security:RFC 5246）和DTLS1.2（Datagram Transport Layer Security:RFC 6347）協(xié)議版本保證顯示報文和隱式報文數據傳輸的安全性,。TLS協(xié)議安承擔著Internet上通信的安全,，造成越來越多的威脅，目前TLS1.2存在很多已被證明的安全隱患,，TLS1.3（Transport Layer Security:RFC:8846）協(xié)議是2018年3月更新的最新版本,，較之前的TLS1.2版本有較大的改變，修改了部分內容,，其安全性更高,，這為EtherNet/IP協(xié)議的安全帶來新的挑戰(zhàn)和利益，因為其應用層CIP協(xié)議的安全性取決于TLS和DTLS協(xié)議安全保障能力,。為了最大程度提高EtherNet/IP協(xié)議的安全性能，必須保證其應用層協(xié)議CIP的安全性,，所以最終在CIP協(xié)議中必須支持TLS1.3版本,。TLS1.3在CIP協(xié)議中的支持預計要3~6年才能實現，TLS協(xié)議在握手期間實現秘鑰建立和認證,，身份驗證和秘鑰的建立很大程度上來說對CIP層和EtherNet/IP是透明的,。TLS協(xié)議保證在不安全的傳輸通道上使用加密確保數據的安全傳輸。而DTLS協(xié)議是TLS轉換而來的,，采用同TLS相同的設計方法,，所以本文只對TLS協(xié)議進行形式化分析。

　　TLS協(xié)議保障在TCP傳輸安全性,，客戶端和服務端建立TCP連接之后,，建立TLS會話，實現TLS握手和TLS記錄協(xié)議,。TLS協(xié)議由很多子協(xié)議組成,，其中核心協(xié)議是記錄協(xié)議和握手協(xié)議，TLS握手協(xié)議負責身份驗證和秘鑰建立（包括TLS版本確定和秘鑰交換以及后續(xù)使用的秘鑰算法）,，記錄協(xié)議通過使用客戶端和服務器協(xié)商后的秘鑰進行數據加密,，TLS記錄協(xié)議主要用來識別TLS中的消息類型（通過“Content Type”字段的數據來識別握手、警告或數據）,，以及每個消息的完整性保護和驗證,。圖4是TLS協(xié)議實現客戶端和服務端建立會話的初始配置過程。

　　CIP報文傳輸分為隱式報文傳輸和顯式報文傳輸,，顯式報文使用TCP傳輸,，在TCP之上的應用可以使用TLS來保證傳輸信息的安全性。但是TLS并不能保證UDP的傳輸安全,，DTLS是在TLS協(xié)議框架上擴展出來的,。其協(xié)議結構基本上同TLS相同,，在隱式報文傳輸中使用UDP協(xié)議，對使用UDP協(xié)議通信的傳輸使用DTLS協(xié)議進行加密處理,。TLS和DTLS層次結構如圖5所示,。

　　TLS協(xié)議形式化分析及實驗結果

　　Scyther性能簡介

　　Scyther軟件是由牛津大學教授CAS CREMERS使用Python語言開發(fā)的一款功能很強的用于驗證和表征安全協(xié)議的自動化協(xié)議形式化分析工具，由于Python語言可以快速生成用戶界面,，使用Python語言開發(fā)的軟件具有良好的人機交互界面,，因此Scyther軟件具有可以對協(xié)議分析攻擊軌跡的輸出功能，便于理解協(xié)議存在的漏洞,。Scyther軟件的協(xié)議分析采用Athena算法,，使用該算法使得Scyther軟件可以支持多協(xié)議并行分析，該工具是安全協(xié)議形式化分析的最新技術,，支持分析與時序相關的協(xié)議,，同時可以尋找協(xié)議的多種攻擊，輸出協(xié)議角色執(zhí)行軌跡和攻擊圖,。除此之外,，Scyther軟件對無限會話和無限狀態(tài)集合的協(xié)議給出明確的終止，其中實現多協(xié)議的并行分析解決了傳統(tǒng)分析工具的狀態(tài)空間爆炸問題,，Scyther形式化分析工具內置了Delov-Yao模型和強安全模型,，所以敵手的攻擊模式設置簡單。并且在攻擊漏洞和攻擊誤報等性能方面也表現較好,。

　　Scyther敵手模型和語義操作

　　強安全模型是通過敵手定義更強的攻擊能力,，決定了敵手能力在完全掌握了通信網絡的基礎上，具備腐蝕化長期私鑰和臨時秘鑰等能力,，Scythe可以通過敵手詢問組合的方式選擇安全模型,，設置方便，并且有明確的終止,。在強安全模型下可以同時添加會話秘鑰泄露,、隨機數泄露、狀態(tài)泄露等,。圖6是Scyther軟件敵手模型設置界面,。

　　Scyther定義安全協(xié)議結構模型如圖7所示。

　　Scyther使用SPDL語言規(guī)定了一系列的操作語義和操作原語,，基本的操作語義如表1所示,。

　　對TLS協(xié)議形式化安全分析

　　對TLS1.2協(xié)議進行形式化分析，本文采用Scyther- Compromise-0.9.2版本,，運行在Intel（R） Core（TM） i5-7400 CPU@ 3.00 GHz,、操作系統(tǒng)是Linux kali 4.19.0-kali3-amd64、8 GB RAM的電腦上（賦予至少4 GB以上的內存），具體的使用軟件及工具參見表2,。

　　TLS協(xié)議會話形式化分析過程

　　首先使用Scyther工具的SPDL語言對TLS握手協(xié)議交互的過程進行形式化的描述,，分別在Delov-Yao模型和強安全模型下對該協(xié)議進行形式化分析。SPDL語言對協(xié)議的描述是基于角色的,，在定義了協(xié)議交互使用的變量之后,，整個協(xié)議的交互過程通過參與協(xié)議每個主體發(fā)生的事件集合表示。其中send和recv事件表示該主體發(fā)送和接收消息的事件,，目標屬性的描述通過claim事件完成,，利用claim事件可以對角色的認證性、變量的機密性等進行描述,。Scyther-Compromise工具可以方便地更改協(xié)議分析的安全模型,，該工具的敵手的攻擊分析能力可以通過選項的形式供用戶選擇。

　　CIP協(xié)議嵌入到TCP報文傳輸的時候,，在實現客戶端和服務端身份認證的時候,，首先建立TLS會話，通過對協(xié)議版本,、密碼算法和認證方式以及公鑰加密技術的協(xié)商,，進入協(xié)議握手階段，圖8是TLS握手協(xié)議流程圖,。

　?。?）客戶端首先發(fā)起請求,，交換hello協(xié)商算法,、

　　隨機數、協(xié)議版本等信息,。

　?。?）交換必要的密碼學參數，客戶端和服務器生成預主秘鑰,。

　?。?）雙方交換數字證書，客戶端驗證服務端證書通過后取出證書中的公鑰,。

　?。?）通過預主秘鑰和交換的隨機數生成主秘鑰。

　?。?）為之后的記錄層提供安全參數,。

　　（6）秘鑰確認,，進行通信,。

　　根據TLS握手協(xié)議分析涉及的2個實體（Client、Server），協(xié)議形式化定義2個角色a和b分別表示客戶端和服務器,。

　　實驗結果

　　Scyther采用黑盒驗證思想,，每個角色從自身的角度判斷是否滿足安全目標或者安全屬性，工業(yè)網絡最初與用戶應用網絡Internet是分開的,，像CIP,、EtherNet/IP沒有考慮傳輸安全類問題，缺乏固有的安全機制,。近些年研究人員公開報告了CIP和EtherNet/IP中許多漏洞,，因為EtherNet/IP協(xié)議使用基于CIP的以太網協(xié)議，固然也存在安全隱患,，圖9是Scyther-Compromise工具在Delov-Yao模型下對TLS握手協(xié)議的形式化分析輸出的攻擊路徑圖,，圖10是在該模型下驗證TLS握手協(xié)議秘鑰協(xié)商的機密性，結果顯示在該模型下不存在攻擊威脅,。

　　圖11是在Scyther-Compromise工具中通過添加選項長期私鑰泄露,、會話秘鑰泄露、隨機數泄露以及狀態(tài)泄露的強安全模式設置參數界面,。圖12是在強安全模型下對TLS握手協(xié)議機密性驗證,，結果顯示存在至少4個攻擊，證明在強安全模型下,，TLS握手協(xié)議不能保證秘鑰的機密性,。

　　結論

　　本文分析了EtherNet/IP協(xié)議的結構和性能，其核心組成成員應用層CIP協(xié)議的安全性取決于加密認證協(xié)議TLS的安全保證能力,，使用Scyther工具對TLS協(xié)議進行形式化分析,，設置敵手模型分別為Delov-Yao模型和強安全模型下進行驗證，從輸出的攻擊軌跡圖,，證明在強安全模型下TLS協(xié)議存在長期秘鑰泄露導致主體的長期私鑰泄露的危險,。由于秘鑰傳輸過程中傳輸的機密性取決于長期私鑰的安全性。實驗證明TLS握手協(xié)議在強安全模型下傳輸秘鑰不安全,，TLS協(xié)議無法保證CIP協(xié)議通信的安全,，導致了使用CIP作為EtherNet/IP協(xié)議的核心協(xié)議在應用層的傳輸不夠安全。未來在EtherNet/IP協(xié)議嵌入TLS1.3版本的時候不得不重新考慮整體安全性,。

　　內容節(jié)選自《信息技術與網絡安全》2019年第七期《工業(yè)以太網EtherNet/IP協(xié)議安全分析》一文,，作者田學成，徐英會）