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detecting-modbus-command-injection-attacks

detecting-modbus-command-injection-attacks

github.com/mukul975セキュリティ35.2k52 回インストール8 週間前に更新
リポジトリ

detecting-modbus-command-injection-attacks について

OT セキュリティ担当者向けの Modbus コマンドインジェクション検知ガイドです。ベースライン分析と Suricata ルールを用いて、異常な書き込みや通信パターンを特定します。

主な機能

  1. 01Modbus 通信ベースラインの作成
  2. 02未承認の書き込み操作の検知
  3. 03異常なファンクションコードとレジスター範囲の確認
  4. 04Suricata ルールによるアラート
  5. 05変更記録と照合した書き込みの検証

活用シーン

  1. 01PLC のレジスターやコイルへの未承認変更を監視
  2. 02不審な Modbus TCP 書き込みコマンドを調査
  3. 03OT SOC 向け検知分析の構築
  4. 04Modbus マスター侵害の疑い後に通信を確認

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-modbus-command-injection-attacks

インストール後、Claude Code で/detecting-modbus-command-injection-attacks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

Modbusコマンドインジェクション攻撃の検出

使用するタイミング

  • Modbus TCP(ポート502)またはModbus RTUを使用する環境で侵入検知を導入するとき
  • PLCのレジスタやコイルへの不正な変更が疑われる場合の調査時
  • Modbusを多用するOT環境を監視するOT SOC向けに検知分析を構築するとき
  • Modbus TCPを悪用して運用に影響を与えるFrostyGoop型の攻撃に対応するとき
  • Modbusマスターの侵害が疑われた後にベースラインを検証するとき

使用しないでください:Modbus以外のプロトコルへの攻撃の検出(DNP3については detecting-dnp3-protocol-anomalies を参照)、一般的なIT ネットワークの侵入検知、またはModbusデバイスの構成(performing-ot-vulnerability-scanning-safely を参照)には使用しないでください。

前提条件

  • Modbus TCPトラフィック(通常はポート502)を流すセグメントでのネットワークSPAN/TAP
  • 通常のModbus通信パターン(マスター、スレーブ、ファンクションコード、レジスタ範囲、ポーリング間隔)のベースライン
  • Modbusプロトコルパーサーが有効化されたSuricata、Zeek、または商用のOT IDS
  • 環境で使用されているModbusファンクションコード(読み取り操作と書き込み操作)の理解
  • 想定されるレジスタ範囲を検証するためのPLCプログラミング文書へのアクセス

ワークフロー

ステップ1:Modbus通信ベースラインの構築

正常なModbusトラフィックを取得・分析し、正当な通信パターンを明確にします。

#!/usr/bin/env python3
"""Modbus Command Injection Detector.

Monitors Modbus TCP traffic for unauthorized write operations, anomalous
function codes, and deviations from established communication baselines.
Detects attacks like FrostyGoop that use Modbus TCP for operational impact.
"""

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

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


# Modbus function code definitions
MODBUS_READ_FUNCTIONS = {1, 2, 3, 4}
MODBUS_WRITE_FUNCTIONS = {5, 6, 15, 16}
MODBUS_DIAGNOSTIC_FUNCTIONS = {8, 17, 43}

MODBUS_FUNC_NAMES = {
    1: "Read Coils", 2: "Read Discrete Inputs",
    3: "Read Holding Registers", 4: "Read Input Registers",
    5: "Write Single Coil", 6: "Write Single Register",
    8: "Diagnostics", 15: "Write Multiple Coils",
    16: "Write Multiple Registers", 17: "Report Slave ID",
    22: "Mask Write Register", 23: "Read/Write Multiple Registers",
    43: "Encapsulated Interface Transport",
}


class ModbusAlert:
    """Represents a detected Modbus anomaly."""

    def __init__(self, severity: str, alert_type: str, src_ip: str,
                 dst_ip: str, unit_id: int, func_code: int,
                 description: str, mitre_technique: str = ""):
        self.timestamp = datetime.now().isoformat()
        self.severity = severity
        self.alert_type = alert_type
        self.src_ip = src_ip
        self.dst_ip = dst_ip
        self.unit_id = unit_id
        self.func_code = func_code
        self.func_name = MODBUS_FUNC_NAMES.get(func_code, f"Unknown FC {func_code}")
        self.description = description
        self.mitre_technique = mitre_technique

    def __str__(self):
        return (
            f"[{self.severity}] {self.alert_type} | {self.src_ip} -> {self.dst_ip} "
            f"| Unit {self.unit_id} | {self.func_name} | {self.description}"
        )


class ModbusInjectionDetector:
    """Detects Modbus command injection attacks."""

    def __init__(self, baseline_file: Optional[str] = None):
        self.alerts: List[ModbusAlert] = []
        self.packet_count = 0
        self.modbus_count = 0

        # Baseline data
        self.authorized_masters: Set[str] = set()
        self.authorized_pairs: Set[Tuple[str, str]] = set()
        self.allowed_write_sources: Set[str] = set()
        self.allowed_function_codes: Dict[str, Set[int]] = defaultdict(set)
        self.allowed_register_ranges: Dict[str, List[Tuple[int, int]]] = defaultdict(list)
        self.polling_intervals: Dict[str, float] = {}
        self.last_seen: Dict[str, float] = {}

        # Counters for rate detection
        self.write_counts: Dict[str, List[float]] = defaultdict(list)

        if baseline_file:
            self.load_baseline(baseline_file)

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

        for session_key, data in baseline.get("modbus_baselines", {}).items():
            src, dst = session_key.split("->")
            self.authorized_pairs.add((src.strip(), dst.strip()))
            self.authorized_masters.add(src.strip())

            fc_set = set(data.get("allowed_function_codes", []))
            self.allowed_function_codes[session_key] = fc_set

            if fc_set & MODBUS_WRITE_FUNCTIONS:
                self.allowed_write_sources.add(src.strip())

            for reg_range in data.get("register_ranges", []):
                self.allowed_register_ranges[session_key].append(
                    (reg_range["start"], reg_range["end"])
                )

            if data.get("polling_interval_avg_sec"):
                self.polling_intervals[session_key] = data["polling_interval_avg_sec"]

        print(f"[*] Baseline loaded: {len(self.authorized_pairs)} authorized pairs, "
              f"{len(self.allowed_write_sources)} authorized write sources")

    def parse_modbus_mbap(self, payload: bytes) -> Optional[dict]:
        """Parse Modbus TCP MBAP header and PDU."""
        if len(payload) < 8:
            return None

        transaction_id = struct.unpack(">H", payload[0:2])[0]
        protocol_id = struct.unpack(">H", payload[2:4])[0]
        length = struct.unpack(">H", payload[4:6])[0]
        unit_id = payload[6]
        func_code = payload[7]

        if protocol_id != 0:  # Not Modbus
            return None

        result = {
            "transaction_id": transaction_id,
            "protocol_id": protocol_id,
            "length": length,
            "unit_id": unit_id,
            "func_code": func_code,
        }

        # Parse register address and count for read/write operations
        if len(payload) >= 12 and func_code in (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16):
            result["start_address"] = struct.unpack(">H", payload[8:10])[0]
            result["quantity"] = struct.unpack(">H", payload[10:12])[0]

        return result

    def analyze_packet(self, pkt):
        """Analyze a network packet for Modbus command injection."""
        self.packet_count += 1

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

        tcp = pkt[TCP]
        if tcp.dport != 502 and tcp.sport != 502:
            return

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

        modbus = self.parse_modbus_mbap(payload)
        if not modbus:
            return

        self.modbus_count += 1
        src_ip = pkt[IP].src
        dst_ip = pkt[IP].dst
        session_key = f"{src_ip}->{dst_ip}"
        now = time.time()

        # Detection Rule 1: Unauthorized Modbus master
        if self.authorized_masters and src_ip not in self.authorized_masters:
            if tcp.dport == 502:
                self.alerts.append(ModbusAlert(
                    severity="CRITICAL",
                    alert_type="UNAUTHORIZED_MASTER",
                    src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                    unit_id=modbus["unit_id"],
                    func_code=modbus["func_code"],
                    description=f"Unauthorized device {src_ip} sending Modbus commands to {dst_ip}",
                    mitre_technique="T0843 - Program Download",
                ))

        # Detection Rule 2: Unauthorized write operation
        if modbus["func_code"] in MODBUS_WRITE_FUNCTIONS:
            if self.allowed_write_sources and src_ip not in self.allowed_write_sources:
                self.alerts.append(ModbusAlert(
                    severity="CRITICAL",
                    alert_type="UNAUTHORIZED_WRITE",
                    src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                    unit_id=modbus["unit_id"],
                    func_code=modbus["func_code"],
                    description=f"Write command from non-authorized source {src_ip}",
                    mitre_technique="T0855 - Unauthorized Command Message",
                ))

            # Track write frequency for rate anomaly detection
            self.write_counts[src_ip].append(now)
            recent_writes = [t for t in self.write_counts[src_ip] if now - t < 60]
            self.write_counts[src_ip] = recent_writes
            if len(recent_writes) > 20:
                self.alerts.append(ModbusAlert(
                    severity="HIGH",
                    alert_type="WRITE_FLOOD",
                    src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                    unit_id=modbus["unit_id"],
                    func_code=modbus["func_code"],
                    description=f"Excessive write rate: {len(recent_writes)} writes in 60s from {src_ip}",
                    mitre_technique="T0836 - Modify Parameter",
                ))

        # Detection Rule 3: Anomalous function code
        if session_key in self.allowed_function_codes:
            if modbus["func_code"] not in self.allowed_function_codes[session_key]:
                self.alerts.append(ModbusAlert(
                    severity="HIGH",
                    alert_type="ANOMALOUS_FUNCTION_CODE",
                    src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                    unit_id=modbus["unit_id"],
                    func_code=modbus["func_code"],
                    description=(
                        f"Function code {modbus['func_code']} ({MODBUS_FUNC_NAMES.get(modbus['func_code'], 'Unknown')}) "
                        f"not in baseline for {session_key}"
                    ),
                    mitre_technique="T0855 - Unauthorized Command Message",
                ))

        # Detection Rule 4: Broadcast write (unit ID 0)
        if modbus["unit_id"] == 0 and modbus["func_code"] in MODBUS_WRITE_FUNCTIONS:
            self.alerts.append(ModbusAlert(
                severity="CRITICAL",
                alert_type="BROADCAST_WRITE",
                src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                unit_id=0,
                func_code=modbus["func_code"],
                description="Broadcast write command (unit ID 0) affects ALL Modbus devices on segment",
                mitre_technique="T0855 - Unauthorized Command Message",
            ))

        # Detection Rule 5: Out-of-range register access
        if "start_address" in modbus and session_key in self.allowed_register_ranges:
            addr = modbus["start_address"]
            qty = modbus.get("quantity", 1)
            in_range = any(
                start <= addr and addr + qty <= end
                for start, end in self.allowed_register_ranges[session_key]
            )
            if not in_range:
                self.alerts.append(ModbusAlert(
                    severity="HIGH",
                    alert_type="OUT_OF_RANGE_REGISTER",
                    src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                    unit_id=modbus["unit_id"],
                    func_code=modbus["func_code"],
                    description=f"Register access {addr}-{addr+qty} outside baseline ranges",
                    mitre_technique="T0836 - Modify Parameter",
                ))

        # Detection Rule 6: Diagnostic/restart commands
        if modbus["func_code"] in MODBUS_DIAGNOSTIC_FUNCTIONS:
            self.alerts.append(ModbusAlert(
                severity="HIGH",
                alert_type="DIAGNOSTIC_COMMAND",
                src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                unit_id=modbus["unit_id"],
                func_code=modbus["func_code"],
                description=f"Diagnostic function code {modbus['func_code']} detected - potential DoS or reconnaissance",
                mitre_technique="T0814 - Denial of Service",
            ))

    def print_report(self):
        """Print detection report."""
        print(f"\n{'='*70}")
        print(f"MODBUS COMMAND INJECTION DETECTION REPORT")
        print(f"{'='*70}")
        print(f"Analysis Time: {datetime.now().isoformat()}")
        print(f"Total Packets Analyzed: {self.packet_count}")
        print(f"Modbus Packets: {self.modbus_count}")
        print(f"Alerts Generated: {len(self.alerts)}")

        if self.alerts:
            severity_counts = defaultdict(int)
            for alert in self.alerts:
                severity_counts[alert.severity] += 1

            print(f"\nSeverity Distribution:")
            for sev in ["CRITICAL", "HIGH", "MEDIUM", "LOW"]:
                if sev in severity_counts:
                    print(f"  {sev}: {severity_counts[sev]}")

            print(f"\nDetailed Alerts:")
            for alert in self.alerts:
                print(f"\n  [{alert.severity}] {alert.alert_type}")
                print(f"    Time: {alert.timestamp}")
                print(f"    Source: {alert.src_ip} -> {alert.dst_ip}")
                print(f"    Unit ID: {alert.unit_id}")
                print(f"    Function: {alert.func_name} (FC {alert.func_code})")
                print(f"    Detail: {alert.description}")
                if alert.mitre_technique:
                    print(f"    MITRE ATT&CK ICS: {alert.mitre_technique}")

    def start_live_monitoring(self, interface: str, duration: int = 0):
        """Start live Modbus traffic monitoring."""
        print(f"[*] Starting Modbus monitoring on {interface}...")
        print(f"[*] Press Ctrl+C to stop")
        try:
            sniff(
                iface=interface,
                filter="tcp port 502",
                prn=self.analyze_packet,
                timeout=duration if duration > 0 else None,
            )
        except KeyboardInterrupt:
            pass
        self.print_report()


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

    if len(sys.argv) >= 2:
        if sys.argv[1].endswith(".pcap") or sys.argv[1].endswith(".pcapng"):
            from scapy.all import rdpcap
            print(f"[*] Analyzing capture file: {sys.argv[1]}")
            packets = rdpcap(sys.argv[1])
            for pkt in packets:
                detector.analyze_packet(pkt)
            detector.print_report()
        else:
            detector.start_live_monitoring(sys.argv[1])
    else:
        print("Usage:")
        print("  Live:    python modbus_detector.py <interface> [baseline.json]")
        print("  Offline: python modbus_detector.py <capture.pcap> [baseline.json]")
ステップ2:Modbus攻撃検出のためのSuricataルールの展開
# Suricata IDS Rules for Modbus Command Injection Detection
# Reference: MITRE ATT&CK for ICS, FrostyGoop analysis

# Unauthorized Modbus write from non-engineering workstation
alert modbus !$MODBUS_AUTHORIZED_WRITERS any -> $OT_PLC_SUBNET 502 (
  msg:"MODBUS-INJECT Unauthorized write operation detected";
  modbus_func:write_single_coil;
  flow:to_server,established;
  classtype:attempted-admin;
  sid:4000001; rev:1; priority:1;
)

alert modbus !$MODBUS_AUTHORIZED_WRITERS any -> $OT_PLC_SUBNET 502 (
  msg:"MODBUS-INJECT Unauthorized write multiple registers";
  modbus_func:write_multiple_registers;
  flow:to_server,established;
  classtype:attempted-admin;
  sid:4000002; rev:1; priority:1;
)

# Modbus broadcast write affecting all slaves
alert modbus any any -> $OT_PLC_SUBNET 502 (
  msg:"MODBUS-INJECT Broadcast write command (Unit ID 0)";
  modbus_unit_id:0;
  flow:to_server,established;
  classtype:attempted-admin;
  sid:4000003; rev:1; priority:1;
)

# Excessive Modbus write rate (potential automated attack)
alert modbus any any -> $OT_PLC_SUBNET 502 (
  msg:"MODBUS-INJECT Excessive write rate - possible automated attack";
  modbus_func:write_multiple_registers;
  flow:to_server,established;
  threshold:type threshold, track by_src, count 20, seconds 60;
  classtype:attempted-admin;
  sid:4000004; rev:1;
)

# Modbus diagnostics/restart command
alert modbus any any -> $OT_PLC_SUBNET 502 (
  msg:"MODBUS-INJECT Diagnostics function code detected";
  modbus_func:diagnostics;
  flow:to_server,established;
  classtype:attempted-dos;
  sid:4000005; rev:1;
)

# FrostyGoop-pattern: write to specific register ranges used for heating control
alert modbus any any -> $OT_PLC_SUBNET 502 (
  msg:"MODBUS-INJECT Potential FrostyGoop - write to heating control registers";
  modbus_func:write_multiple_registers;
  content:"|00 10|"; offset:8; depth:2;
  flow:to_server,established;
  classtype:attempted-admin;
  sid:4000010; rev:1; priority:1;
)

主要な概念

用語定義
Modbus TCPTCPポート502で動作する産業用プロトコル。認証や暗号化がないため、コマンドインジェクションに対して脆弱
ファンクションコードModbus PDU内で操作(コイルの読み取り、レジスタの書き込み、診断など)を指定する1バイトの値。不正なファンクションコードの監視が検出の鍵
MBAPヘッダーTCP版のModbusアプリケーションプロトコルヘッダー。トランザクションID、プロトコルID、長さ、ユニットIDを含む
FrostyGoop実際の運用に影響を与えるためにModbus TCPを使用した初の既知のマルウェア。2024年にウクライナの地域暖房を停止させた
ユニットID対象のModbusスレーブデバイスのアドレス。ユニットID 0は全スレーブに影響するブロードキャスト
レジスタ範囲PLC内の特定のメモリアドレス。正当な操作は既知の範囲にアクセスし、範囲外のアクセスは偵察または改ざんを示す

一般的なシナリオ

シナリオ:FrostyGoop型の暖房制御攻撃

状況:ビルオートメーションシステムがModbus TCPを使用して空調設備を制御しています。監視により、認可されたBMSコントローラーに関連付けられていないIPアドレスから、暖房制御レジスタへの予期しない書き込みコマンドが検出されました。

対応手順:

  1. 送信元IPアドレスを認可されたModbusマスターのリストと照合する
  2. 認可されたメンテナンスや構成変更が進行中かどうかを確認する
  3. レジスタアドレスや書き込まれている値を含む、Modbusトランザクション全体を取得する
  4. 書き込まれた値を暖房機器の安全な運転範囲と比較する
  5. 不正と判断された場合、産業用ファイアウォールで送信元IPアドレスを直ちにブロックする
  6. 送信元デバイスに侵害の兆候(マルウェア、不正なリモートアクセス)がないか調査する
  7. 影響を受けるすべてのコントローラーの現在の設定値を、既知の正常値と照合する
  8. 改ざんが確認された場合、安全な設定値に復元する

注意点:Modbusには認証機能がないため、送信元IPアドレスが唯一の識別子となります。ARP対策が講じられていない場合、攻撃者はIPアドレスを偽装できます。すべての書き込みが悪意あるものと決めつけないでください。正当なSCADA操作にも書き込みが含まれます。エスカレーションする前に、必ず変更管理ログと照合してください。

出力形式

MODBUS INJECTION DETECTION REPORT
====================================
Analysis Period: [start] to [end]
Monitoring Point: [interface/SPAN description]

TRAFFIC SUMMARY:
  Total Modbus Packets: [count]
  Read Operations: [count]
  Write Operations: [count]
  Unauthorized Writes Detected: [count]

ALERTS:
  [CRITICAL] Unauthorized write from [IP] to PLC [IP]
    Function: Write Multiple Registers (FC 16)
    Registers: [start]-[end]
    MITRE: T0855 - Unauthorized Command Message

BASELINE DEVIATIONS:
  New Modbus masters: [list]
  Unusual function codes: [list]
  Out-of-range register access: [list]

RECOMMENDED ACTIONS:
  1. Verify source [IP] authorization status
  2. Block unauthorized sources at industrial firewall
  3. Validate PLC register values against known-good state

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