安全加固必备：三菱Q系列PLC MODBUS通信加密与认证技术


参考资源链接：[三菱Q01使用QJ71C24N MODBUS RTU通信实例详解](https://wenku.csdn.net/doc/6412b4dfbe7fbd1778d411fb?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 三菱Q系列PLC与MODBUS通信概述

PLC（Programmable Logic Controller）是工业自动化领域中的关键设备，而三菱Q系列PLC作为其中的佼佼者，其通信能力尤其突出。MODBUS协议作为一种广泛使用的工业通信协议，它为不同的设备和系统之间的数据交换提供了一个标准化的框架。在本章中，我们将概览三菱Q系列PLC如何与MODBUS协议结合，进行高效和安全的数据通信。

首先，我们来理解一下MODBUS协议的基础知识。MODBUS协议具有开放性、可靠性以及易于实现等特点，它支持主从通信模式，广泛应用于过程控制和工业自动化系统中。三菱Q系列PLC通过内置的MODBUS协议功能，能够与其他支持该协议的设备实现无缝连接。接下来，我们将深入探讨MODBUS协议的工作原理、通信模式以及安全加固措施。这为后续章节中如何在三菱Q系列PLC上实现MODBUS通信提供了坚实的基础。

# 2. MODBUS协议的基础知识

## 2.1 MODBUS协议的工作原理

### 2.1.1 MODBUS协议架构

MODBUS协议是一种广泛应用于工业自动化领域中的应用层消息协议，它由Modicon公司在1979年开发，并成为了工业通信标准之一。MODBUS协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，不管它们是经过何种网络进行通信的。这种协议主要支持主从式通信架构，允许一个主设备与多个从设备进行数据交换。

MODBUS协议的核心包含如下几个主要部分：

- **设备地址**：标识网络中的从设备，范围从0到255。
- **功能码**：指明请求或响应所执行的操作类型，如读取寄存器或写入寄存器。
- **数据区**：承载功能码对应操作的具体数据内容。
- **校验和**：用于错误检测的校验机制。

在MODBUS RTU模式下，消息帧以设备地址开始，接着是功能码，然后是数据区域，最后是校验和。整个消息帧是二进制编码的，非常适合串行通信。而在MODBUS TCP/IP模式中，MODBUS消息作为TCP/IP协议的数据包发送，因而使用了以太网作为传输介质，让通信变得更为高效。

### 2.1.2 MODBUS的数据模型和功能码

MODBUS协议定义了一种共享的地址映射空间，其中包括了数字I/O、模拟输入/输出、寄存器和线圈等不同类型的数据模型，它们都有自己的地址范围。通过这些数据模型，设备可以读取或修改PLC或其他设备的状态。

功能码则是指示主设备要执行何种操作，例如：

- 功能码03和04用于读取保持寄存器和输入寄存器。
- 功能码05和06用于写单个线圈和寄存器。
- 功能码15和16用于写多个线圈和寄存器。

针对不同的功能码，从设备会相应地处理请求，并返回数据或确认信息。

## 2.2 MODBUS通信模式分析

### 2.2.1 RTU模式和ASCII模式的区别

MODBUS RTU（Remote Terminal Unit）模式和ASCII模式是两种经典的串行通信模式。两者在数据编码方式上有所不同。

在RTU模式中，数据以二进制形式发送，拥有更高的数据密度和传输效率。RTU模式下，协议通过帧间隔和定时超时来确定帧边界，数据帧之间无需添加任何间隔符。

相对地，ASCII模式使用ASCII字符进行通信，数据以可读的形式发送。每个数据字节使用两个ASCII字符来表示，并在消息帧的开始和结束添加特定的字符（如冒号“:”），以便接收设备识别帧的开始和结束。尽管ASCII模式的效率不如RTU模式，但它更易于诊断通信问题，因为发送的数据是人类可读的。

### 2.2.2 MODBUS TCP/IP协议的应用场景

随着以太网技术的普及，MODBUS TCP/IP模式应运而生，它在MODBUS RTU的基础上，将消息封装进TCP/IP协议的数据包中进行传输。这种模式特别适用于需要长距离通信或网络结构较为复杂的环境。

在MODBUS TCP/IP模式中，每个MODBUS应用数据单元（ADU）都封装在一个TCP数据包中，并在IP协议的基础上进行传输。利用TCP的可靠连接和数据校验机制，MODBUS TCP/IP可以提供更高效的通信，减少通信错误，提升系统的稳定性。

## 2.3 MODBUS安全性考量

### 2.3.1 未加密通信的潜在风险

尽管MODBUS是一种稳定的工业通信协议，但在未加密的情况下，其通信过程可能受到多种攻击：

- **中间人攻击**：攻击者可以截获并篡改通信过程中的数据。
- **数据截获**：敏感数据在通信过程中可能被未经授权的第三方获取。
- **重放攻击**：攻击者捕获合法的数据包并重新发送，试图欺骗系统重复执行某些操作。

由于MODBUS协议在设计初期并未着重考虑安全因素，这些潜在的风险会直接影响系统安全和数据保密性。

### 2.3.2 加密与认证在MODBUS中的重要性

为了应对这些安全风险，实现MODBUS通信的加密与认证变得尤为重要。加密可以保护数据传输过程中的隐私，确保数据不被未授权用户读取或篡改。认证机制则确保通信的双方是合法且可信的，阻止未授权设备的接入。

实现加密通信可以通过使用SSL/TLS协议进行数据加密，或者通过专用的加密模块来保护MODBUS RTU的通信过程。而在MODBUS TCP/IP中，可以通过使用VPN或安全套接字层（SSL）来实现数据加密。

认证机制可以通过预共享密钥、数字证书等方式来实现，确保通信双方的身份验证和消息的完整性和认证性。

# 3. 三菱Q系列PLC安全加固措施

在现代工业自动化领域，三菱Q系列PLC因其卓越的性能和可靠性得到了广泛应用。然而，随着网络攻击和工业间谍活动的增加，对于PLC系统进行安全加固变得尤为关键。本章将从通信加密技术和通信认证技术两大方向出发，深入探讨如何加强三菱Q系列PLC的安全性能。

## 3.1 PLC通信加密技术

### 3.1.1 对称加密与非对称加密

加密技术是保护信息在传输过程中不被窃取或篡改的重要手段。在三菱Q系列PLC中，常用的加密方式分为对称加密和非对称加密两种。

对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，其优点是算法速度快，适合大量数据的实时加密。然而，密钥的分发和管理成为了一大挑战，因为任何掌握密钥的人都能够解密信息。

非对称加密则使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥可以公开，用于加密数据；私钥需保密，用于解密数据。这种方式解决了密钥分发的问题，但算法复杂度和计算量较大，速度较慢，因此不适用于大量数据加密。

### 3.1.2 密钥交换机制与管理

密钥交换机制是确保通信双方在不安全的通道上安全地交换密钥的一种方法。Diffie-Hellman密钥交换算法是其中的代表，它允许双方在公开的通道上交换密钥，而无需事先约定。

在PLC系统中，密钥管理同样重要。密钥需要周期