CN113676375A - 一种工业控制系统私有协议结构解析方法 - Google Patents

一种工业控制系统私有协议结构解析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业控制系统私有协议结构解析方法，其步骤为：S1：获取工控私有协议数据集；S2：统计数据集的必要信息，包括数据集中数据包数量，数据包的最大字节长度，并生成数据包各字节偏移集合Bi；S3：计算信息熵H(Bi)、联合信息熵H(Bi,Bi+1)和互信息I(Bi；Bi+1)；S4：计算数据集中第i和第i+1两个相邻字节的互信息率MIR(Bi；Bi+1)；S5：依据本发明提出的四条得分规则，计算出所有字节的得分数组；S6：统计、存储并输出最终字节关系数组。本发明只需要获取工业控制系统的私有协议通信数据包，便能够自动化解析私有协议的结构，不会对设备的正常使用造成任何影响，使得对业控制系统私有协议结构解析变得简单高效。

Description

一种工业控制系统私有协议结构解析方法
技术领域
本发明涉及工业控制系统的私有协议结构解析领域，特别涉及一种工业控制系统私有协议结构解析方法。
背景技术
随着工业4.0时代的到来，工业互联网与工业控制系统深度融合，越来越多的工控设备开始接入互联网，这在带来生产力快速提高的同时也带来了一系列安全问题。暴露在互联网上的工控设备一旦被攻击，轻则会影响工业生成的顺利进行，给企业和国家带来大量的经济损失，重则将严重威胁工作人员的人身安全。因此如何快速挖掘控制系统存在的安全漏洞，提高其安全性正逐渐被安全研究人员关注。
协议模糊测试是工业控制系统的常见的漏洞挖掘方式。在进行协议的模糊测试时，通常首先使用Peach等模糊测试工具对协议格式进行建模和构建状态机等，在完成配置后，模糊测试工具将自动化的生成测试用例对被测设备进行模糊测试。这种方法的优势是在完成配置后，可以自动化的进行模糊测试，能够减轻安全人员的工作量，同时可以对所有使用指定协议的工控设备都进行模糊测试，适用范围较广。
工业控制系统中使用了大量未公开结构的私有协议，在对私有协议进行模糊测试前，需要测试者通过各种方法来解析协议结构，并且协议结构解析的结果将影响生成测试用例的接收率。因此需要高效地对大量私有协议数据包进行结构解析，鉴于此，本发明提出一种基于信息论的方法来对私有协议进行结构解析。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种通用性好、具有较高效率和准确度的工业控制系统私有协议结构解析方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种工业控制系统私有协议结构解析方法，该方法包括如下步骤：
S1：获取工控私有协议数据集；
S2：统计数据集的必要信息，包括数据集中数据包数量n，数据包的最大字节长度L，并生成数据包各字节偏移集合Bi；
S3：计算信息熵H(Bi)、联合信息熵H(Bi,Bi+1)和互信息I(Bi；Bi+1)；
S4：计算数据集中第i和第i+1两个相邻字节的互信息率MIR(Bi；Bi+1)：
Figure BDA0003211590340000021
S5：依据本发明提出的以下四条得分规则，生成得分数组S；
得分规则1。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时小于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第一次得分
Figure BDA0003211590340000022
if MIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi+1；Bi+2)and MIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi-1；Bi),
Figure BDA0003211590340000023
得分规则2。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时大于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第二次得分
Figure BDA0003211590340000024
if MIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi-1；Bi)and MIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi+1；Bi+2),
Figure BDA0003211590340000025
得分规则3。若第i个字节与第i+1个字节间互信息率小于或等于阈值threshold，则按照如下公式计算第三次得分
Figure BDA0003211590340000026
if MIR(Bi；Bi+1)≤threshold,
Figure BDA0003211590340000027
得分规则4。若第i个字节的信息熵同时大于第i+1和第i-1个字节的信息熵，则按照如下公式计算第四次得分
Figure BDA0003211590340000031
if H(Bi)＞H(Bi+1)and H(Bi)＞H(Bi-1),
Figure BDA0003211590340000032
S6：统计、存储并输出最终字节关系数组R。
进一步地，所述步骤S1中，捕获上位机与PLC之间的通信数据包，剔除重复的数据包和心跳包，使得数据包的数量足够多，以保证各个字段取值的多样性，生成PCAP文件，将PCAP文件中的数据包作为私有协议数据集。
进一步地，所述步骤S3中的详细流程为：
S301：统计集合Bi和Bi+1中数值bi和bj出现的频率
Figure BDA0003211590340000033
和
Figure BDA0003211590340000034
以及同时出现频率
Figure BDA0003211590340000035
并计算概率p(bi)、p(bj)以及联合概率p(bi,bj)；
Figure BDA0003211590340000036
Figure BDA0003211590340000037
S302：计算信息熵H(Bi)；
Figure BDA0003211590340000038
S303：计算联合信息熵H(Bi,Bi+1)；
Figure BDA0003211590340000039
S304：计算互信息I(Bi；Bi+1)；
I(Bi；Bi+1)＝H(Bi)+H(Bi+1)-H(Bi,Bi+1)
进一步地，所述步骤S5中的详细流程为：
S501：计算所有相邻两个字节间的互信息率，并初始化得分数组S＝[S0,S1,…,SL-1]＝[0,0,…]；
S502：得分规则1。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时小于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第一次得分
Figure BDA0003211590340000041
if MIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi+1；Bi+2)and MIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi-1；Bi),
Figure BDA0003211590340000042
S503：得分规则2。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时大于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第二次得分
Figure BDA0003211590340000043
if MIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi-1；Bi)and MIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi+1；Bi+2),
Figure BDA0003211590340000044
S504：得分规则3。若第i个字节与第i+1个字节间互信息率小于或等于阈值threshold，则按照如下公式计算第三次得分
Figure BDA0003211590340000045
if MIR(Bi；Bi+1)≤threshold,
Figure BDA0003211590340000046
S504：得分规则4。若第i个字节的信息熵同时大于第i+1和第i-1个字节的信息熵，则按照如下公式计算第四次得分
Figure BDA0003211590340000047
if H(Bi)＞H(Bi+1)and H(Bi)＞H(Bi-1),
Figure BDA0003211590340000048
S505：根据预先定义的权重，按照如下公式计算第i个字节的最终得分Si。
Figure BDA0003211590340000049
λ1＝2,λ2＝2,λ3＝1,λ4＝1
进一步地，所述步骤S6中的详细流程为：
S601：初始化字节关系数组R＝[R0,…,RL-1]＝[0,…,0]；
S602：如果数组S中元素Si不小于1，则表示第i和第i+1个字节不属于同一字段，令Ri＝Ri-1+1，反之则属于同一字段，令Ri＝Ri-1。
与现有技术相比，本发明的优点在于，只需要获取通信数据包，即可完成私有协议的格式解析，适用性广，并且不会对设备运行产生任何影响。
附图说明
图1为本发明实施例提出的工业控制系统私有协议结构解析方法的流程图。
图2为本发明实施例中数据包各字节偏移集合。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种工业控制系统私有协议结构解析方法，该方法包括如下步骤：
S1：获取工控私有协议数据集。在上位机与PLC进行通信时，捕获两者之间的通信数据包，剔除重复的数据包和心跳包，使得数据包的数量不少于3000个，以保证各个字段取值的多样性，最后生成PCAP文件。将PCAP文件中的数据包作为私有协议数据集。
S2：统计私有协议数据集的必要信息，包括数据集中数据包数量n，数据包的最大字节长度L等，并生成数据包各字节偏移集合Bi，Bi由所有数据包中相同偏移字节的取值组成，如图2所示。
S3：计算信息熵H(Bi)、联合信息熵H(Bi,Bi+1)和互信息I(Bi；Bi+1)，详细流程如下：
S301：统计集合Bi和Bi+1中数值bi和bj出现的频率
Figure BDA0003211590340000051
和
Figure BDA0003211590340000052
以及同时出现频率
Figure BDA0003211590340000053
并计算概率p(bi)、p(bj)以及联合概率p(bi,bj)；
Figure BDA0003211590340000054
Figure BDA0003211590340000055
S302：计算信息熵H(Bi)；
Figure BDA0003211590340000056
S303：计算联合信息熵H(Bi,Bi+1)；
Figure BDA0003211590340000057
S304：计算互信息I(Bi；Bi+1)；
I(Bi；Bi+1)＝H(Bi)+H(Bi+1)-H(Bi,Bi+1)
S4：计算数据集中第i和第i+1两个相邻字节的互信息率MIR(Bi；Bi+1)；计算公式如下所示：
Figure BDA0003211590340000061
S5：依据本发明4个第i与第i+1个字节的得分规则，计算得出得分数组S，详细流程如下：
S501：计算所有相邻两个字节间的互信息率，并初始化得分数组S＝[S0,S1,…,SL-1]＝[0,0,…]；
S502：得分规则1。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时小于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第一次得分
Figure BDA0003211590340000062
if MIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi+1；Bi+2)and MIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi-1；Bi),
Figure BDA0003211590340000063
S503：得分规则2。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时大于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第二次得分
Figure BDA0003211590340000064
if MIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi-1；Bi)and MIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi+1；Bi+2),
Figure BDA0003211590340000065
S504：得分规则3。若第i个字节与第i+1个字节间互信息率小于或等于阈值threshold，则按照如下公式计算第三次得分
Figure BDA0003211590340000066
if MIR(Bi；Bi+1)≤threshold,
Figure BDA0003211590340000067
本实施例中，阈值threshold根据经验设置为0.01。
S504：得分规则4。若第i个字节的信息熵同时大于第i+1和第i-1个字节的信息熵，则按照如下公式计算第四次得分
Figure BDA0003211590340000071
if H(Bi)＞H(Bi+1)and H(Bi)＞H(Bi-1),
Figure BDA0003211590340000072
S505：根据预先定义的权重，按照如下公式计算第i个字节的最终得分Si：
Figure BDA0003211590340000073
λ1＝2,λ2＝2,λ3＝1,λ4＝1
S6：统计并存储字节关系数组R，详细流程如下：
S601：初始化字节关系数组R＝[R0,…,RL-1]＝[0,…,0]；
S602：如果数组S中元素Si不小于1，则表示第i和第i+1个字节不属于同一字段，令Ri＝Ri-1+1，反之则属于同一字段，令Ri＝Ri-1。
S7：输出字节关系数组R。
本实例所述的一种工业控制系统私有协议结构解析方法，只需要获取工业控制系统正常工作过程中产生的数据流量包，即可完成私有协议的结构解析。不会对正常的工业生成活动产生任何影响，并且对工业控制系统的软硬件没有任何的额外要求，从而使得私有协议的结构解析更加简单和方便。
显然，上述实施例为针对一种工业控制系统私有协议结构解析方法所进行的举例说明，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种工业控制系统私有协议结构解析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取工控私有协议数据集；
S2：统计数据集的必要信息，包括数据集中数据包数量n，数据包的最大字节长度L，并生成数据包各字节偏移集合Bi；
S3：计算信息熵H(Bi)、联合信息熵H(Bi,Bi+1)和互信息I(Bi；Bi+1)；
S4：计算数据集中第i和第i+1两个相邻字节的互信息率MIR(Bi；Bi+1)：
Figure FDA0003211590330000011
S5：依据以下四条得分规则，生成得分数组S；
得分规则1。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时小于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第一次得分
Figure FDA0003211590330000012
ifMIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi+1；Bi+2)andMIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi-1；Bi),
Figure FDA0003211590330000013
得分规则2。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时大于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第二次得分
Figure FDA0003211590330000014
ifMIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi-1；Bi)andMIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi+1；Bi+2),
Figure FDA0003211590330000015
得分规则3。若第i个字节与第i+1个字节间互信息率小于或等于阈值threshold，则按照如下公式计算第三次得分
Figure FDA0003211590330000016
Figure FDA0003211590330000017
得分规则4。若第i个字节的信息熵同时大于第i+1和第i-1个字节的信息熵，则按照如下公式计算第四次得分
Figure FDA0003211590330000021
Figure FDA0003211590330000022
S6：统计、存储并输出最终字节关系数组R。
2.根据权利要求1所述的一种工业控制系统私有协议结构解析方法，其特征在于，所述步骤S1中，捕获上位机与PLC之间的通信数据包，剔除重复的数据包和心跳包，使得数据包的数量足够多，以保证各个字段取值的多样性，生成PCAP文件，将PCAP文件中的数据包作为私有协议数据集。
3.根据权利要求1所述的一种工业控制系统私有协议结构解析方法，其特征在于，所述步骤S3中的详细流程为：
S301：统计集合Bi和Bi+1中数值bi和bj出现的频率
Figure FDA0003211590330000023
和
Figure FDA0003211590330000024
以及同时出现频率
Figure FDA0003211590330000025
并计算概率p(bi)、p(bj)以及联合概率p(bi,bj)；
Figure FDA0003211590330000026
Figure FDA0003211590330000027
S302：计算信息熵H(Bi)；
Figure FDA0003211590330000028
S303：计算联合信息熵H(Bi,Bi+1)；
Figure FDA0003211590330000029
S304：计算互信息I(Bi；Bi+1)；
I(Bi；Bi+1)＝H(Bi)+H(Bi+1)-H(Bi,Bi+1)
4.根据权利要求1所述的一种工业控制系统私有协议结构解析方法，其特征在于，所述步骤S5中的详细流程为：
S501：计算所有相邻两个字节间的互信息率，并初始化得分数组S＝[S0,S1,…,SL-1]＝[0,0,…]；
S502：得分规则1。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时小于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第一次得分
Figure FDA0003211590330000031
ifMIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi+1；Bi+2)andMIR(Bi；Bi+1)＜MIR(Bi-1；Bi),
Figure FDA0003211590330000032
S503：得分规则2。若第i与第i+1个字节间的互信息率同时大于第i-1与第i个字节间的互信息率和第i+1与第i+2个字节间的互信息率，则按照如下公式计算第二次得分
Figure FDA0003211590330000033
ifMIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi-1；Bi)andMIR(Bi；Bi+1)＞MIR(Bi+1；Bi+2),
Figure FDA0003211590330000034
S504：得分规则3。若第i个字节与第i+1个字节间互信息率小于或等于阈值threshold，则按照如下公式计算第三次得分
Figure FDA0003211590330000035
Figure FDA0003211590330000036
S504：得分规则4。若第i个字节的信息熵同时大于第i+1和第i-1个字节的信息熵，则按照如下公式计算第四次得分
Figure FDA0003211590330000037
Figure FDA0003211590330000038
S505：根据预先定义的权重，按照如下公式计算第i个字节的最终得分Si。
Figure FDA0003211590330000039
λ1＝2,λ2＝2,λ3＝1,λ4＝1
5.根据权利要求4所述的一种工业控制系统私有协议结构解析方法，其特征在于，所述步骤S6中的详细流程为：
S601：初始化字节关系数组R＝[R0,…,RL-1]＝[0,…,0]；
S602：如果数组S中元素Si不小于1，则表示第i和第i+1个字节不属于同一字段，令Ri＝Ri-1+1，反之则属于同一字段，令Ri＝Ri-1。
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