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detecting-dnp3-protocol-anomalies

detecting-dnp3-protocol-anomalies

github.com/mukul975セキュリティ35.2k40 回インストール8 週間前に更新
リポジトリ

detecting-dnp3-protocol-anomalies について

エネルギー分野の OT セキュリティ担当者向けの DNP3 異常検知スキルです。SCADA 通信における不正な制御コマンド、プロトコル違反、通常パターンからの逸脱を扱います。

主な機能

  1. 01不正な制御コマンドの検知
  2. 02プロトコル違反と基準からの逸脱の特定
  3. 03TCP およびシリアル DNP3 通信の監視
  4. 04高リスクの機能コードと操作の確認

活用シーン

  1. 01変電所の DNP3 通信の監視
  2. 02不正な制御コマンドの疑いの調査
  3. 03DNP3 侵入検知ルールの設定
  4. 04OT プラットフォームの異常通信アラートへの対応

インストール

コマンドをコピーしてターミナルで実行します。

$npx skills add https://github.com/mukul975/anthropic-cybersecurity-skills --skill detecting-dnp3-protocol-anomalies

インストール後、Claude Code で/detecting-dnp3-protocol-anomaliesを入力して読み込まれたか確認します。

同梱ファイル

SKILL.md と一緒にインストールされる参考資料やスクリプト。

LICENSE
references/
api-reference.md
scripts/
agent.py

詳細

DNP3プロトコルの異常検知

使用するタイミング

  • DNP3が主要プロトコルであるエネルギー分野のSCADAシステムを監視するとき
  • RTUや変電所を狙うDNP3ベースの攻撃に対する検知ルールを作成するとき
  • DNP3経由で送信された不正な制御コマンドの疑いを調査するとき
  • 電力会社の変電所にDNP3のディープパケットインスペクションを備えたIDSを導入するとき
  • OT監視プラットフォームからのDNP3トラフィック異常に関するアラートに対応するとき

使用しない場合: DNP3以外のプロトコルの監視(Modbusについては detecting-modbus-command-injection-attacks を参照)、DNP3 Secure Authenticationの設定(別途実装が必要)、またはプロトコルに依存しないネットワーク異常検知。

前提条件

  • DNP3通信セグメントへのネットワークTAPまたはSPANの設定(TCPポート20000またはシリアル)
  • 通常のDNP3トラフィックパターンのベースライン(マスター、アウトステーション、ポーリング間隔、ファンクションコード)
  • DNP3プロトコルパーサーを有効にしたSuricataまたはZeek
  • 環境で使用されているDNP3ファンクションコードとオブジェクトグループの理解
  • DNP3通信のトポロジマップ(マスターとアウトステーションの関係)

ワークフロー

ステップ1: DNP3トラフィックの異常を分析する
#!/usr/bin/env python3
"""DNP3 Protocol Anomaly Detector.

Monitors DNP3 communications for unauthorized control commands,
protocol violations, and deviations from established baselines.
Supports both TCP and serial DNP3 deployments.
"""

import struct
import sys
import json
from collections import defaultdict
from datetime import datetime
from typing import Dict, List, Optional, Set

try:
    from scapy.all import rdpcap, IP, TCP
except ImportError:
    print("Install scapy: pip install scapy")
    sys.exit(1)


# DNP3 Function Codes
DNP3_FUNCTIONS = {
    0x00: "Confirm", 0x01: "Read", 0x02: "Write",
    0x03: "Select", 0x04: "Operate", 0x05: "Direct Operate",
    0x06: "Direct Operate No Ack", 0x07: "Immediate Freeze",
    0x08: "Immediate Freeze No Ack", 0x09: "Freeze and Clear",
    0x0A: "Freeze and Clear No Ack", 0x0B: "Freeze at Time",
    0x0C: "Freeze at Time No Ack", 0x0D: "Cold Restart",
    0x0E: "Warm Restart", 0x0F: "Initialize Data",
    0x10: "Initialize Application", 0x11: "Start Application",
    0x12: "Stop Application", 0x13: "Save Configuration",
    0x14: "Enable Unsolicited", 0x15: "Disable Unsolicited",
    0x16: "Assign Class", 0x17: "Delay Measurement",
    0x18: "Record Current Time", 0x19: "Open File",
    0x1A: "Close File", 0x1B: "Delete File",
    0x1C: "Get File Info", 0x1D: "Authenticate File",
    0x1E: "Abort File", 0x81: "Response", 0x82: "Unsolicited Response",
}

# High-risk function codes that should trigger alerts
DNP3_CRITICAL_FUNCTIONS = {
    0x02,  # Write
    0x03, 0x04, 0x05, 0x06,  # Select/Operate/Direct Operate
    0x0D,  # Cold Restart
    0x0E,  # Warm Restart
    0x0F,  # Initialize Data
    0x10,  # Initialize Application
    0x12,  # Stop Application
    0x19, 0x1A, 0x1B,  # File operations (firmware update)
}


class DNP3AnomalyDetector:
    """Detects anomalies in DNP3 protocol communications."""

    def __init__(self, baseline_file: Optional[str] = None):
        self.alerts = []
        self.sessions = defaultdict(lambda: {
            "packet_count": 0,
            "function_codes": defaultdict(int),
            "control_commands": 0,
            "file_operations": 0,
            "restarts": 0,
        })
        self.packet_count = 0
        self.dnp3_count = 0

        self.authorized_masters: Set[str] = set()
        self.authorized_pairs: Dict[str, Set[str]] = defaultdict(set)
        self.baseline_functions: Dict[str, Set[int]] = defaultdict(set)

        if baseline_file:
            self.load_baseline(baseline_file)

    def load_baseline(self, filepath: str):
        """Load DNP3 communication baseline."""
        with open(filepath, "r") as f:
            baseline = json.load(f)

        for entry in baseline.get("authorized_communications", []):
            master = entry["master_ip"]
            outstation = entry["outstation_ip"]
            self.authorized_masters.add(master)
            self.authorized_pairs[master].add(outstation)
            self.baseline_functions[f"{master}->{outstation}"] = set(
                entry.get("expected_function_codes", [0x00, 0x01])
            )

    def parse_dnp3_header(self, payload: bytes) -> Optional[dict]:
        """Parse DNP3 data link layer and transport/application headers."""
        if len(payload) < 10:
            return None

        # DNP3 Data Link Layer: start(2) + length(1) + control(1) + dest(2) + source(2) + crc(2)
        start_bytes = struct.unpack(">H", payload[0:2])[0]
        if start_bytes != 0x0564:
            return None

        length = payload[2]
        control = payload[3]
        dest_addr = struct.unpack("<H", payload[4:6])[0]
        source_addr = struct.unpack("<H", payload[6:8])[0]

        direction = "Master->Outstation" if (control & 0x80) else "Outstation->Master"

        result = {
            "length": length,
            "control": control,
            "direction": direction,
            "dest_addr": dest_addr,
            "source_addr": source_addr,
            "is_master": bool(control & 0x80),
        }

        # Parse transport and application layer (after CRC bytes)
        if len(payload) >= 12:
            transport_header = payload[10]
            if len(payload) >= 13:
                app_control = payload[11]
                func_code = payload[12]
                result["function_code"] = func_code
                result["function_name"] = DNP3_FUNCTIONS.get(
                    func_code, f"Unknown (0x{func_code:02x})"
                )

        return result

    def analyze_packet(self, pkt):
        """Analyze a packet for DNP3 anomalies."""
        self.packet_count += 1

        if not pkt.haslayer(IP) or not pkt.haslayer(TCP):
            return

        tcp = pkt[TCP]
        if tcp.dport != 20000 and tcp.sport != 20000:
            return

        payload = bytes(tcp.payload)
        if not payload:
            return

        dnp3 = self.parse_dnp3_header(payload)
        if not dnp3:
            return

        self.dnp3_count += 1
        src_ip = pkt[IP].src
        dst_ip = pkt[IP].dst
        session_key = f"{src_ip}->{dst_ip}"
        session = self.sessions[session_key]
        session["packet_count"] += 1

        func_code = dnp3.get("function_code")
        if func_code is not None:
            session["function_codes"][func_code] += 1

            # Detection 1: Unauthorized DNP3 master
            if dnp3.get("is_master") and self.authorized_masters:
                if src_ip not in self.authorized_masters:
                    self.alerts.append({
                        "severity": "CRITICAL",
                        "type": "UNAUTHORIZED_DNP3_MASTER",
                        "src": src_ip, "dst": dst_ip,
                        "function": dnp3.get("function_name"),
                        "description": f"Unauthorized DNP3 master {src_ip} communicating with outstation {dst_ip}",
                        "mitre": "T0869 - Standard Application Layer Protocol",
                    })

            # Detection 2: Cold/Warm restart command
            if func_code in (0x0D, 0x0E):
                session["restarts"] += 1
                restart_type = "Cold" if func_code == 0x0D else "Warm"
                self.alerts.append({
                    "severity": "CRITICAL",
                    "type": "DNP3_RESTART_COMMAND",
                    "src": src_ip, "dst": dst_ip,
                    "function": f"{restart_type} Restart",
                    "description": f"{restart_type} restart command sent to outstation {dst_ip} (addr {dnp3['dest_addr']})",
                    "mitre": "T0816 - Device Restart/Shutdown",
                })

            # Detection 3: File operations (potential firmware update)
            if func_code in (0x19, 0x1A, 0x1B, 0x1C, 0x1D, 0x1E):
                session["file_operations"] += 1
                self.alerts.append({
                    "severity": "CRITICAL",
                    "type": "DNP3_FILE_OPERATION",
                    "src": src_ip, "dst": dst_ip,
                    "function": dnp3.get("function_name"),
                    "description": f"File operation on outstation {dst_ip} - potential firmware update or PIPEDREAM indicator",
                    "mitre": "T0839 - Module Firmware",
                })

            # Detection 4: Control commands (Select/Operate)
            if func_code in (0x03, 0x04, 0x05, 0x06):
                session["control_commands"] += 1
                if session_key in self.baseline_functions:
                    if func_code not in self.baseline_functions[session_key]:
                        self.alerts.append({
                            "severity": "HIGH",
                            "type": "UNEXPECTED_CONTROL_COMMAND",
                            "src": src_ip, "dst": dst_ip,
                            "function": dnp3.get("function_name"),
                            "description": f"Control command {dnp3.get('function_name')} not in baseline for {session_key}",
                            "mitre": "T0855 - Unauthorized Command Message",
                        })

            # Detection 5: Anomalous function code for this pair
            if session_key in self.baseline_functions:
                if func_code not in self.baseline_functions[session_key]:
                    if func_code not in (0x00, 0x81, 0x82):  # Exclude common response codes
                        self.alerts.append({
                            "severity": "MEDIUM",
                            "type": "ANOMALOUS_FUNCTION_CODE",
                            "src": src_ip, "dst": dst_ip,
                            "function": dnp3.get("function_name"),
                            "description": f"Function code 0x{func_code:02x} not in baseline",
                            "mitre": "T0855 - Unauthorized Command Message",
                        })

    def generate_report(self):
        """Generate DNP3 anomaly detection report."""
        print(f"\n{'='*70}")
        print("DNP3 PROTOCOL ANOMALY DETECTION REPORT")
        print(f"{'='*70}")
        print(f"Analysis Time: {datetime.now().isoformat()}")
        print(f"Total Packets: {self.packet_count}")
        print(f"DNP3 Packets: {self.dnp3_count}")
        print(f"Alerts: {len(self.alerts)}")

        print(f"\n--- DNP3 SESSION SUMMARY ---")
        for key, session in self.sessions.items():
            print(f"\n  {key}")
            print(f"    Packets: {session['packet_count']}")
            funcs = [DNP3_FUNCTIONS.get(f, f"0x{f:02x}") for f in session["function_codes"]]
            print(f"    Functions: {', '.join(funcs)}")
            print(f"    Control Commands: {session['control_commands']}")
            print(f"    File Operations: {session['file_operations']}")
            print(f"    Restart Commands: {session['restarts']}")

        if self.alerts:
            print(f"\n--- ALERTS ---")
            for alert in self.alerts:
                print(f"\n  [{alert['severity']}] {alert['type']}")
                print(f"    {alert['src']} -> {alert['dst']}")
                print(f"    Function: {alert['function']}")
                print(f"    Detail: {alert['description']}")
                print(f"    MITRE ICS: {alert.get('mitre', 'N/A')}")


if __name__ == "__main__":
    detector = DNP3AnomalyDetector(
        baseline_file=sys.argv[2] if len(sys.argv) > 2 else None
    )

    if len(sys.argv) >= 2:
        print(f"[*] Analyzing: {sys.argv[1]}")
        packets = rdpcap(sys.argv[1])
        for pkt in packets:
            detector.analyze_packet(pkt)
        detector.generate_report()
    else:
        print("Usage: python dnp3_detector.py <capture.pcap> [baseline.json]")

主要な概念

用語定義
DNP3Distributed Network Protocol version 3。エネルギー分野においてマスターとアウトステーション間の通信に広く使われているSCADAプロトコル
アウトステーションマスターステーションのポーリングやコマンドに応答するDNP3スレーブデバイス(通常はRTUやIED)
Select-Before-OperateOperateの前にSelectコマンドを必要とするDNP3の安全機構で、制御動作の誤実行を防止する
コールドリスタート(FC 0x0D)アウトステーションを完全に再起動し、すべての設定をリセットするDNP3コマンド。リスクの高いサービス拒否操作
DNP3 Secure AuthenticationHMACベースの認証を追加してコマンドのなりすましを防止するオプションのDNP3拡張(SA v5)
PIPEDREAMアウトステーションの操作やファームウェア更新を行うDNP3機能を備えたICS攻撃フレームワーク

出力形式

DNP3 ANOMALY DETECTION REPORT
================================
Analysis Period: [start] to [end]
Monitoring Point: [substation/segment]

TRAFFIC SUMMARY:
  DNP3 Packets: [count]
  Unique Master-Outstation Pairs: [count]
  Control Commands: [count]
  File Operations: [count]

ALERTS:
  [CRITICAL] Unauthorized DNP3 master [IP]
  [CRITICAL] Cold restart command to outstation [addr]
  [HIGH] Unexpected control command from [IP]

RECOMMENDATIONS:
  1. Deploy DNP3 Secure Authentication (SA v5)
  2. Block unauthorized sources at firewall
  3. Enable DNP3 DPI on industrial firewall

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