1、h t t p:/ww w.j s j k x.c o mD O I:1 0.1 1 8 9 6/j s j k x.2 1 1 2 0 0 2 5 8到稿日期:2 0 2 1-1 2-2 4 返修日期:2 0 2 2-0 6-1 1基金项目:国家重点研发计划(2 0 2 0 Y F B 2 0 1 0 9 0 0);中央高校基本科研业务费专项资金(浙江大学N G I C S大平台)(Z J UN G I C S 2 0 2 1 0 0 3)T h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lK e yR&DP r o g r
2、a mo fC h i n a(2 0 2 0 Y F B 2 0 1 0 9 0 0)a n dF u n d a m e n t a lR e s e a r c hF u n d sf o rt h eC e n t r a lU n i v e r s i t i e s(Z h e j i a n gU n i v e r s i t yN G I C SP l a t f o r m)(Z J UN G I C S 2 0 2 1 0 0 3).通信作者:麻荣宽(r o n g k u a n 3 0 71 6 3.c o m)基于工控私有协议逆向的黑盒模糊测试方法杨亚辉1,2麻荣
3、宽2耿洋洋2魏 强2贾 岩31郑州大学网络空间安全学院 郑州4 5 0 0 0 12信息工程大学网络空间安全学院 郑州4 5 0 0 0 13南开大学网络空间安全学院 天津3 0 0 1 1 0(y o n g y h 2 0 2 01 6 3.c o m)摘 要 工控私有协议的广泛应用给工业控制系统的安全运行带来了很大挑战。由于工控私有协议规范的闭源性,传统的模糊测试工具难以高效地生成测试用例,限制了采用私有工业控制协议的工控设备的模糊测试效率。针对此问题,提出了一种基于私有工控协议逆向的黑盒模糊测试方法。首先,在流量捕获的基础上,采用改进的多序列比对算法与字段划分算法得到协议字段结构;然后
4、,通过定义一系列启发式规则对协议中的常量字段、序列号字段、长度字段、功能码字段进行识别,进而推断协议格式;最后,根据时序及功能码字段构建协议状态机。在模糊测试过程中,根据逆向推断的协议格式,采用多种变异策略生成测试用例,并利用构建的协议状态机指导模糊测试工具与被测设备的深度交互。基于上述方法设计实现了I C P P f u z z工具,并利用真实设备中的3种工控协议(M o d b u s/T C P,UMA S,S 7 c o mm)对I C P P f u z z协议逆向分析能力及模糊测试能力进行了评估。实验结果表明,在协议逆向方面,该工具的字段划分、语义识别和协议状态机构建能力明显强于N
5、 e t z o b;在模糊测试方面,该工具在相同时间内生成的有效测试用例数量为B o o f u z z的1.2 5倍,测试用例的质量以及漏洞发现能力也都优于B o o f u z z;同时,在对M o d i c o nTM 2 0 0/2 2 1系列P L C进行测试时,成功发现3个拒绝服务漏洞,证明了该工具的有效性。关键词:工控安全;私有协议;序列比对;协议逆向工程;模糊测试中图法分类号 T P 3 9 3 B l a c k-b o xF u z z i n gM e t h o dB a s e do nR e v e r s e-e n g i n e e r i n g f o
6、 rP r o p r i e t a r yI n d u s t r i a lC o n t r o lP r o t o c o lYAN GY a h u i1,2,MAR o n g k u a n2,G E N GY a n g y a n g2,WE IQ i a n g2a n dJ I AY a n31S c h o o l o fC y b e rS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1,C h i n
7、a2S c h o o l o fC y b e r s p a c eS e c u r i t y,I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1,C h i n a3C o l l e g eo fC y b e rS c i e n c e,N a n k a iU n i v e r s i t y,T i a n j i n3 0 0 1 1 0,C h i n a A b s t r a c t T h ew i d e a p p l i c a
8、 t i o no f i n d u s t r i a l c o n t r o l p r o p r i e t a r yp r o t o c o l sh a sb r o u g h t g r e a t c h a l l e n g e s t o t h e s a f eo p e r a t i o no f i n-d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m s.D u e t ot h ec l o s e d-s o u r c en a t u r eo f i n d u s t r i a l c o n t r
9、 o l p r o p r i e t a r yp r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n s,i t i sd i f f i c u l t f o rt r a d i t i o n a l f u z z i n gt e s t i n gt o o l st oe f f i c i e n t l yg e n e r a t et e s tc a s e s,l i m i t i n gt h ee f f i c i e n c yo ff u z z i n gt e s t i n go fi n d u s t r i
10、a lc o n t r o le q u i p m e n tu s i n gp r o p r i e t a r y i n d u s t r i a l c o n t r o l p r o t o c o l s.Ab l a c kb o xf u z z i n gm e t h o d i sp r o p o s e dt os o l v e t h i sp r o b l e mb a s e do nt h er e v e r s eo f ap r i v a t e i n d u s t r i a l c o n t r o lp r o t o c
11、 o l.F i r s t,a ni m p r o v e dm u l t i p l es e q u e n c ea l i g n m e n ta l g o r i t h ma n daf i e l dd i v i s i o na l g o r i t h ma r eu s e dt oo b t a i nt h ep r o t o c o l f i e l ds t r u c t u r eb a s e do nt r a f f i cc a p t u r e.T h e nas e r i e so fh e u r i s t i cr u l
12、 e sa r ed e f i n e dt oi d e n t i f yt h ec o n s t a n t f i e l d,t h es e r i a ln u m b e r f i e l d,t h e l e n g t hf i e l d,a n d t h e f u n c t i o nc o d e f i e l d i nt h ep r o t o c o l t o i n f e r t h ep r o t o c o lf o r m a t.A f t e r t h a t,ap r o t o c o l s t a t em a c
13、 h i n e i sb u i l t a c c o r d i n gt ot h es e q u e n c ea n df u n c t i o nc o d e f i e l d s.I nt h ep r o c e s so f f u z z i n g,a c c o r d i n gt ot h ep r o t o c o l f o r m a t o f r e v e r s e i n f e r e n c e,v a r i o u sm u t a t i o ns t r a t e g i e s a r eu s e d t og e n
14、e r a t e t e s t c a s e s,a n d t h e c o n s t r u c-t e dp r o t o c o l s t a t em a c h i n e i su s e dt og u i d e t h e i n-d e p t h i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e f u z z i n gt o o l a n dt h ed e v i c eu n d e r t e s t.B a s e do nt h ea b o v em e t h o d s,t h e I C P P f u
15、 z z t o o l i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d.T h ep r o t o c o l r e v e r s ec a p a b i l i t ya n df u z z i n gt e s tc a p a b i l i t yo fI C P P f u z za r e e v a l u a t e dw i t hr e a l e q u i p m e n t u s i n g t h r e e i n d u s t r i a l c o n t r o l p r o t o c o l
16、s(M o d b u s/T C P,UMA S,S 7 c o mm).E x p e r i m e n-t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e t o o ls f i e l dd i v i s i o n,s e m a n t i c r e c o g n i t i o n,a n dp r o t o c o l s t a t em a c h i n e c o n s t r u c t i o nc a p a b i l i t i e s a r e s i g n i f i-c a n t l yb e t t e r t h a nN e t z o b i np r o t o c o l r e v e r s a l.I nt e r m so f f u z z i n gt e s t,t h en u m b e ro fe f f e c t i v et e s tc a s e sg e n e r a t e db yt h et o o lw i t h i nt h es a m