detecting-modbus-protocol-anomalies

Modbus プロトコルの異常を検出する

使用するタイミング

• OT 環境で Modbus 固有の侵入検知を導入するとき
• 決定論的な Modbus ポーリングパターンのベースラインモデルを構築するとき
• OT 監視ツールによってフラグが立てられた不審な Modbus トラフィックを調査するとき
• 産業用ファイアウォールで機能コードのアローリストを実装するとき
• プロセスのセットポイントを操作しうる、不正な Modbus 書き込みコマンドを検出するとき

使用しないでください: Modbus の通信をエンドツーエンドで保護する場合（Modbus にはネイティブのセキュリティ機能がないため、ファイアウォールベースの制御については implementing-network-segmentation-for-ot を参照してください）、Modbus 以外のプロトコルの監視（マルチプロトコルについては detecting-anomalies-in-industrial-control-systems を参照してください）、Modbus 実装に対するアクティブなファジング（performing-plc-firmware-security-analysis を参照してください）。

前提条件

• Modbus/TCP トラフィック（ポート 502）を監視するためのネットワーク SPAN/TAP へのアクセス
• Modbus プロトコルアナライザーを備えた Zeek（旧 Bro）、または OT ルールセットを備えた Suricata
• カスタム分析用の scapy および pymodbus を備えた Python 3.9 以上
• 正常な Modbus トラフィックのベースラインキャプチャ（最低 1～2 週間）
• 認可された Modbus クライアント、機能コード、レジスタマップのドキュメント

ワークフロー

ステップ 1: Modbus トラフィックのキャプチャと解析

パッシブ監視を展開し、すべての Modbus/TCP トラフィックをキャプチャして、分析用の構造化レコードに解析します。

#!/usr/bin/env python3
"""Modbus Protocol Anomaly Detection System.

Monitors Modbus/TCP traffic for anomalies including unauthorized
function codes, unusual register access, timing deviations,
and rogue client devices.
"""

import json
import struct
import sys
import time
from collections import defaultdict, deque
from dataclasses import dataclass, field
from datetime import datetime
from statistics import mean, stdev

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


MODBUS_FUNCTION_CODES = {
    1: ("Read Coils", "read"),
    2: ("Read Discrete Inputs", "read"),
    3: ("Read Holding Registers", "read"),
    4: ("Read Input Registers", "read"),
    5: ("Write Single Coil", "write"),
    6: ("Write Single Register", "write"),
    7: ("Read Exception Status", "diagnostic"),
    8: ("Diagnostics", "diagnostic"),
    11: ("Get Comm Event Counter", "diagnostic"),
    12: ("Get Comm Event Log", "diagnostic"),
    15: ("Write Multiple Coils", "write"),
    16: ("Write Multiple Registers", "write"),
    17: ("Report Slave ID", "diagnostic"),
    22: ("Mask Write Register", "write"),
    23: ("Read/Write Multiple Registers", "read_write"),
    43: ("Encapsulated Interface Transport", "diagnostic"),
}


@dataclass
class ModbusAnomaly:
    timestamp: str
    anomaly_type: str
    severity: str
    src_ip: str
    dst_ip: str
    unit_id: int
    func_code: int
    detail: str
    mitre_technique: str = ""


@dataclass
class ModbusSession:
    """Tracks state for a Modbus master-slave session."""
    src_ip: str
    dst_ip: str
    func_codes_seen: dict = field(default_factory=lambda: defaultdict(int))
    register_ranges: set = field(default_factory=set)
    intervals: list = field(default_factory=lambda: deque(maxlen=500))
    last_timestamp: float = 0
    request_count: int = 0
    write_count: int = 0


class ModbusAnomalyDetector:
    """Detects anomalies in Modbus/TCP traffic."""

    def __init__(self):
        self.sessions = {}
        self.baseline_sessions = {}
        self.anomalies = []
        self.authorized_clients = set()
        self.authorized_func_codes = {}  # per-session allowed FCs
        self.packet_count = 0

    def set_authorized_clients(self, clients):
        """Set list of authorized Modbus client IPs."""
        self.authorized_clients = set(clients)

    def set_authorized_func_codes(self, session_key, func_codes):
        """Set allowed function codes for a specific session."""
        self.authorized_func_codes[session_key] = set(func_codes)

    def load_baseline(self, baseline_file):
        """Load baseline profiles from previous capture analysis."""
        with open(baseline_file) as f:
            baseline = json.load(f)
        for key, data in baseline.get("modbus_baselines", {}).items():
            self.baseline_sessions[key] = data
            self.authorized_func_codes[key] = set(data.get("allowed_function_codes", []))
        print(f"[*] Loaded {len(self.baseline_sessions)} Modbus baselines")

    def process_packet(self, pkt):
        """Process a single packet for Modbus anomaly detection."""
        if not pkt.haslayer(TCP) or not pkt.haslayer(IP):
            return

        # Check for Modbus/TCP (port 502)
        if pkt[TCP].dport != 502 and pkt[TCP].sport != 502:
            return

        payload = bytes(pkt[TCP].payload)
        if len(payload) < 8:
            return

        self.packet_count += 1
        timestamp = float(pkt.time)
        ts_str = datetime.fromtimestamp(timestamp).isoformat()

        # Parse MBAP header
        try:
            trans_id = struct.unpack(">H", payload[0:2])[0]
            proto_id = struct.unpack(">H", payload[2:4])[0]
            length = struct.unpack(">H", payload[4:6])[0]
            unit_id = payload[6]
            func_code = payload[7]
        except (IndexError, struct.error):
            return

        # Determine direction
        if pkt[TCP].dport == 502:
            src_ip = pkt[IP].src
            dst_ip = pkt[IP].dst
            is_request = True
        else:
            src_ip = pkt[IP].dst
            dst_ip = pkt[IP].src
            is_request = False

        if not is_request:
            return  # Only analyze requests

        session_key = f"{src_ip}->{dst_ip}"

        # Get or create session
        if session_key not in self.sessions:
            self.sessions[session_key] = ModbusSession(src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip)

        session = self.sessions[session_key]
        session.request_count += 1
        session.func_codes_seen[func_code] += 1

        # ── Anomaly Detection Rules ──

        # Rule 1: Unauthorized Modbus client
        if self.authorized_clients and src_ip not in self.authorized_clients:
            self.anomalies.append(ModbusAnomaly(
                timestamp=ts_str,
                anomaly_type="UNAUTHORIZED_CLIENT",
                severity="critical",
                src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                unit_id=unit_id, func_code=func_code,
                detail=f"Modbus request from unauthorized client {src_ip}",
                mitre_technique="T0886 - Remote Services",
            ))

        # Rule 2: Unauthorized function code
        allowed_fcs = self.authorized_func_codes.get(session_key)
        if allowed_fcs and func_code not in allowed_fcs:
            fc_info = MODBUS_FUNCTION_CODES.get(func_code, (f"Unknown FC{func_code}", "unknown"))
            severity = "critical" if fc_info[1] == "write" else "high"
            self.anomalies.append(ModbusAnomaly(
                timestamp=ts_str,
                anomaly_type="UNAUTHORIZED_FUNCTION_CODE",
                severity=severity,
                src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                unit_id=unit_id, func_code=func_code,
                detail=f"FC {func_code} ({fc_info[0]}) not in allowlist {sorted(allowed_fcs)}",
                mitre_technique="T0855 - Unauthorized Command Message",
            ))

        # Rule 3: Write operation detection
        if func_code in (5, 6, 15, 16, 22, 23):
            session.write_count += 1
            fc_name = MODBUS_FUNCTION_CODES.get(func_code, ("Unknown", ""))[0]

            # Extract register address
            if len(payload) >= 10:
                register_addr = struct.unpack(">H", payload[8:10])[0]
                session.register_ranges.add((func_code, register_addr))

                self.anomalies.append(ModbusAnomaly(
                    timestamp=ts_str,
                    anomaly_type="WRITE_OPERATION",
                    severity="high",
                    src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                    unit_id=unit_id, func_code=func_code,
                    detail=f"Write: {fc_name} to register {register_addr} from {src_ip}",
                    mitre_technique="T0836 - Modify Parameter",
                ))

        # Rule 4: Timing anomaly
        if session.last_timestamp > 0:
            interval = (timestamp - session.last_timestamp) * 1000  # ms
            session.intervals.append(interval)

            baseline = self.baseline_sessions.get(session_key)
            if baseline and len(session.intervals) > 10:
                expected_interval = baseline.get("polling_interval_avg_sec", 0) * 1000
                expected_std = baseline.get("polling_interval_stddev", 0) * 1000

                if expected_std > 0:
                    z_score = abs(interval - expected_interval) / expected_std
                    if z_score > 5.0:
                        self.anomalies.append(ModbusAnomaly(
                            timestamp=ts_str,
                            anomaly_type="TIMING_ANOMALY",
                            severity="medium",
                            src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                            unit_id=unit_id, func_code=func_code,
                            detail=(
                                f"Interval {interval:.0f}ms vs baseline "
                                f"{expected_interval:.0f}ms (z={z_score:.1f})"
                            ),
                            mitre_technique="T0831 - Manipulation of Control",
                        ))

        # Rule 5: Protocol violation - invalid protocol ID
        if proto_id != 0:
            self.anomalies.append(ModbusAnomaly(
                timestamp=ts_str,
                anomaly_type="PROTOCOL_VIOLATION",
                severity="high",
                src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                unit_id=unit_id, func_code=func_code,
                detail=f"Non-standard protocol ID {proto_id} (expected 0)",
                mitre_technique="T0830 - Man in the Middle",
            ))

        # Rule 6: Broadcast write (unit ID 0)
        if unit_id == 0 and func_code in (5, 6, 15, 16):
            self.anomalies.append(ModbusAnomaly(
                timestamp=ts_str,
                anomaly_type="BROADCAST_WRITE",
                severity="critical",
                src_ip=src_ip, dst_ip=dst_ip,
                unit_id=unit_id, func_code=func_code,
                detail="Broadcast write command (unit ID 0) affects ALL slaves",
                mitre_technique="T0855 - Unauthorized Command Message",
            ))

        session.last_timestamp = timestamp

    def analyze_pcap(self, pcap_file):
        """Analyze pcap file for Modbus anomalies."""
        print(f"[*] Analyzing {pcap_file}...")
        packets = rdpcap(pcap_file)
        for pkt in packets:
            self.process_packet(pkt)
        print(f"[*] Processed {self.packet_count} Modbus packets")

    def generate_report(self):
        """Generate anomaly detection report."""
        print(f"\n{'='*70}")
        print("MODBUS PROTOCOL ANOMALY DETECTION REPORT")
        print(f"{'='*70}")
        print(f"Packets analyzed: {self.packet_count}")
        print(f"Sessions tracked: {len(self.sessions)}")
        print(f"Anomalies detected: {len(self.anomalies)}")

        severity_counts = defaultdict(int)
        type_counts = defaultdict(int)
        for a in self.anomalies:
            severity_counts[a.severity] += 1
            type_counts[a.anomaly_type] += 1

        print(f"\nBy Severity:")
        for sev in ["critical", "high", "medium", "low"]:
            if severity_counts[sev]:
                print(f"  {sev.upper()}: {severity_counts[sev]}")

        print(f"\nBy Type:")
        for atype, count in sorted(type_counts.items(), key=lambda x: -x[1]):
            print(f"  {atype}: {count}")

        print(f"\nTop Anomalies:")
        for a in self.anomalies[:15]:
            print(f"  [{a.severity.upper()}] {a.anomaly_type}: {a.detail}")


if __name__ == "__main__":
    detector = ModbusAnomalyDetector()

    if len(sys.argv) > 1:
        # Load baseline if provided
        if len(sys.argv) > 2:
            detector.load_baseline(sys.argv[2])
        detector.analyze_pcap(sys.argv[1])
        detector.generate_report()
    else:
        print("Usage: python modbus_detector.py <pcap_file> [baseline.json]")

主要な概念

用語	定義
Modbus/TCP	TCP ポート 502 で動作する産業用プロトコルで、MBAP ヘッダーと、機能コードおよびデータを含む PDU で構成される
機能コード	操作の種類を決定する Modbus コマンド識別子（FC1-4: 読み取り、FC5-6/15-16: 書き込み、FC8: 診断）
MBAP ヘッダー	トランザクション ID、プロトコル ID（0x0000）、長さ、ユニット ID を含む Modbus アプリケーションプロトコルヘッダー
ユニット ID	対象のスレーブデバイスを識別する Modbus アドレス（0-247）。ユニット ID 0 はすべてのスレーブへのブロードキャスト
レジスタマップ	Modbus のレジスタアドレスとプロセス変数との、ベンダー固有の対応関係（例: レジスタ 40001 = 反応器温度）
機能コードアローリスト	送信元 IP ごとに、各対象デバイスへどの Modbus 機能コードを許可するかを定義するセキュリティポリシー

ツールとシステム

• Zeek Modbus アナライザー: Modbus/TCP のプロトコル解析とロギングを組み込みで備えたネットワークセキュリティモニター
• ET Open ICS ルールを備えた Suricata: コマンドインジェクションや異常を検出する Modbus 固有の検知ルールを備えた IDS/IPS
• Wireshark Modbus ディセクター: Modbus/TCP および Modbus RTU の完全なデコードに対応したプロトコルアナライザー
• PyModbus: カスタム監視・テストツールを構築するための Python Modbus ライブラリ

出力形式

Modbus Protocol Anomaly Detection Report
==========================================
Capture Period: YYYY-MM-DD to YYYY-MM-DD
Packets Analyzed: [N]
Sessions: [N]

ANOMALIES: [N]
  UNAUTHORIZED_CLIENT: [N]
  UNAUTHORIZED_FUNCTION_CODE: [N]
  WRITE_OPERATION: [N]
  TIMING_ANOMALY: [N]
  BROADCAST_WRITE: [N]