数据加密与认证：三菱PLC MODBUS TCP通讯安全必备技能


参考资源链接：[三菱Q系列PLC MODBUS TCP通讯配置指南](https://wenku.csdn.net/doc/38xacpyrs6?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 数据加密与认证基础概念

## 简介
在现代信息技术中，数据加密与认证是确保信息安全的两大基石。无论是通过网络传输数据，还是存储在设备中的信息，都需要采取措施保护其不被未授权访问或篡改。

## 数据加密基础
数据加密是将原始数据（明文）转换成只有持有密钥的人才能解读的形式（密文）。其目的是为了保护数据的机密性，防止数据被不法分子窃取和读取。数据加密主要分为两类：对称加密和非对称加密。

### 对称加密
在对称加密中，加密和解密使用相同的密钥。这种方式加密速度快，适合大量数据的加密处理，但密钥管理较为复杂，存在密钥在传输过程中被截获的风险。

### 非对称加密
非对称加密使用一对密钥，一个公开的公钥和一个保密的私钥。公钥用于加密数据，而私钥用于解密。这种方式更加安全，但加密和解密的计算过程更为复杂，因此速度较慢。

## 认证基础
认证是指验证身份的过程，保证数据交互双方身份的真实性。认证技术可以分为以下几种类型：

### 用户名/密码
最基础的认证方式，通过用户名和密码进行身份验证。这种方式简便易行，但安全性较低，容易遭受猜测攻击和重放攻击。

### 数字证书
数字证书是由权威机构颁发的，用于验证用户身份的电子文件。它通常包含用户的公钥和认证机构的签名。数字证书是SSL/TLS等安全协议的核心部分。

### 双因素认证
双因素认证结合了用户知道的信息（如密码）和用户拥有的物品（如手机、安全令牌）两种因素。这种认证方式大大提高了安全性，因为即便其中一种因素被破解，非法用户仍然无法通过认证。

在实际应用中，数据加密与认证技术常常结合使用，以实现更加严密的安全防护。下一章，我们将深入探讨MODBUS TCP通讯协议，了解其在工业自动化领域的应用及其安全措施。

# 2. MODBUS TCP通讯协议详解

## 2.1 MODBUS TCP协议架构

### 2.1.1 协议层次与帧结构

MODBUS TCP协议是在TCP/IP协议栈的基础上实现的，因此它遵守标准的网络协议层次结构。在这个层次结构中，MODBUS TCP位于应用层，具体而言是在传输层（TCP）之上。它使用端口502作为默认通信端口，该端口已被IANA注册为MODBUS服务的端口号。

MODBUS TCP的帧结构包括以下几个部分：
- 事务标识符（Transaction Identifier）：用于标识MODBUS请求/响应对。
- 协议标识符（Protocol Identifier）：对于MODBUS TCP而言，该值通常为零。
- 长度字段（Length Field）：指示接下来的MODBUS ADU（应用数据单元）的字节数。
- 单元标识符（Unit Identifier）：用于识别网络中的设备。
- 功能码（Function Code）：指示请求的类型。
- 数据字段（Data Field）：包含功能码请求或响应的具体数据。

### 2.1.2 数据封装与传输机制

MODBUS TCP的数据封装与传输机制可以理解为通过网络层将MODBUS数据单元封装进TCP段，并通过以太网进行传输。当一个设备发起请求时，它首先将MODBUS应用数据单元（ADU）封装进一个TCP段中，然后发送到远端设备。远端设备接收到请求后，会解析TCP段，提取MODBUS ADU，并执行相应的功能码所指示的指令。如果需要响应，同样会将结果封装在MODBUS ADU中，然后封装进TCP段进行回传。

### 2.1.3 代码块与逻辑分析

事务标识符    协议标识符    长度字段    单元标识符    功能码    数据字段
 2 bytes       2 bytes       2 bytes     1 byte       1 byte    N bytes

在这个代码块中，每一块都代表了MODBUS TCP帧结构中的一部分。事务标识符用于匹配请求和响应，协议标识符在TCP/IP基础上通常是0，长度字段告诉接收者数据字段的大小，单元标识符用于标识目标MODBUS从站，功能码定义了请求的类型，数据字段包含执行该功能码所需的所有数据。

### 2.1.4 表格展示

下面是一个MODBUS TCP帧结构的示例表格：

| 字段名称 | 字节长度 | 描述 |
|----------------|----------|--------------------------------------------------------------|
| 事务标识符 | 2 | 请求/响应对的唯一标识，用于匹配请求和响应 |
| 协议标识符 | 2 | 用于区分MODBUS协议类型，通常为0 |
| 长度字段 | 2 | MODBUS应用数据单元（ADU）的长度 |
| 单元标识符 | 1 | 用于标识目标设备 |
| 功能码 | 1 | 定义请求类型，如读取寄存器、写入寄存器等 |
| 数据字段 | N | 包含与功能码相关联的数据，如寄存器地址、值等 |

## 2.2 MODBUS TCP的命令与响应

### 2.2.1 常用功能码及其作用

MODBUS TCP支持一系列的功能码，用于不同的操作目的。以下是部分常用的MODBUS功能码及其作用：

- 功能码01：读取线圈状态（Read Coils）
- 功能码02：读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）
- 功能码03：读取保持寄存器值（Read Holding Registers）
- 功能码05：写入单个线圈（Write Single Coil）
- 功能码06：写入单个保持寄存器（Write Single Register）
- 功能码15：写入多个线圈（Write Multiple Coils）
- 功能码16：写入多个保持寄存器（Write Multiple Registers）

这些功能码涵盖了读取、写入以及对离散输入和保持寄存器等不同类型数据进行操作。

### 2.2.2 数据单元与错误检测

在MODBUS TCP协议中，每个功能码后面都会跟随一个数据单元，该单元用于描述特定功能码请求的具体操作。例如，在读取保持寄存器（功能码03）的情况下，数据单元将包含起始地址和读取寄存器的数量。每个功能码都有自己的数据单元格式。

错误检测机制通常使用循环冗余检查（CRC）来确保数据在传输过程中的完整性。MODBUS TCP协议使用CRC-16作为其标准的错误检测方法。在发送MODBUS消息时，会计算整个消息的CRC值，并将其附加在数据单元之后。接收方将用同样的方法计算接收到的数据的CRC值，并与接收到的CRC进行比对，如果两者不匹配，则表明数据在传输过程中已经损坏，需要重新发送。

### 2.2.3 Mermaid流程图展示

下面是一个MODBUS TCP请求和响应流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[客户端发起请求] -->|事务标识符| B(事务标识符)
    B -->|协议标识符| C(协议标识符)
    C -->|