CN105827469A - 一种modbus tcp实现缺陷测试仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MODBUS TCP实现缺陷测试仪及其检测方法，所述测试仪包括功能点遍历***和接收其遍历结果的规约报文变异测试***；所述功能点遍历***设置包括功能点遍历测试序列模块；所述规约报文变异测试***包括依次连接的测试用例设计模块、变异测试样本生成及预期结果模块和变异样本测试模块，以及分别与所述测试用例设计模块连接的变异算法模块和手工编辑报文测试模块。所述方法包括(1)对被测设备发出的被测报文进行一致性测试；(2)对被测报文进行变异测试；(3)生成测试日志和统计报告。本发明可减少测试问题漏报、误判的情况，并有效解决测试进程中断的问题。

Description

一种MODBUS TCP实现缺陷测试仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种测试仪及其检测方法，具体讲涉及一种MODBUSTCP实现缺陷测试仪及其检测方法。

背景技术

目前用于通信设备的网络协议实现的缺陷检测和漏洞挖掘的主要测试方法是基于模糊测试原理的协议健壮性测试，并已经有成熟的协议健壮性测试工具。模糊测试的工作原理如图2所示，模糊器以一定的方法来诱导被测对象进入目标状态，通过向目标对象发送预先精心设计的带有攻击性的输入，再监视返回的结果是否异常来发现被测对象的安全漏洞。

基于协议状态机的模糊器通常由被测对象协议模板、异常用例生成、状态机协商、异常用例发送以及被测对象监控几部分组成。其中，被测对象协议模板采用参数脚本的方式实现，用来描述被测对象协议报文的基本层次结构及各字段，是其他各个部分的基础。异常用例生成采用多种算法来生成最终的攻击用例，是模糊测试的核心部分。状态机协商与被测对象进行正常的报文交互，诱导被测对象进入目标状态，以达到异常用例发送的条件。异常用例发送根据被测对象协议在协议栈中的位置来正确封装并发送异常用例。模糊器中的监控模块用来对被测对象的异常状态进行收集、分析，最终定位漏洞所在。通过此方法可发现被测对象在网络协议处理过程中的安全漏洞。

目前没有针对MODBUSTCP协议实现的缺陷检测方法，通用的协议健壮性测试方法，采用基于捕获报文的协议状态机分析，使测试范围依赖于测试人员捕获报文的质量，难以做到对MODBUSTCP协议实现缺陷的深度挖掘；而且现有的协议健壮性测试方法在异常测试用例生成环节，主要依靠通用协议分析软件对报文的解析结果(报文格式、字段类型等)，由于通用协议分析软件无法深度解析MODBUSTCP协议报文，生成的异常测试用例适用性差，较难保证协议健壮性测试的深度和效率，导致测试问题的漏报和误判。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种MODBUSTCP实现缺陷测试仪及其检测方法，***包括：测试仪和与其连接的被测设备；测试仪包括功能点遍历***和接收其遍历结果的规约报文变异测试***。方法包括如下步骤：(1).对被测设备发出的被测报文进行一致性测试；(2).对被测报文进行变异测试；(3).生成测试日志和统计报告。本发明提供的针对MODBUSTCP通信协议实现缺陷的检测方法及***，实现对被测工业自动化***及终端的攻击的自动检测，从而发现被测设备的规约实现缺陷，且可减少测试问题漏报、误判的情况，并有效解决测试进程中断的问题。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种MODBUSTCP实现缺陷测试仪，其改进之处在于，所述测试仪包括功能点遍历***和接收其遍历结果的规约报文变异测试***；

所述功能点遍历***设置包括功能点遍历测试序列模块；

所述规约报文变异测试***包括依次连接的测试用例设计模块、变异测试样本生成及预期结果模块和变异样本测试模块，以及分别与所述测试用例设计模块连接的变异算法模块和手工编辑报文测试模块。

优选的，

所述变异算法模块包括依次连接的基本变异组件、缓冲区溢出组件、域缺失组件和组合变异组件；

所述变异测试样本生成及预期结果模块分别与基本变异组件、缓冲区溢出组件、域缺失组件和组合变异组件连接；

所述变异测试样本生成及预期结果模块与手工编辑报文测试模块连接。

本发明基于另一目的提出的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其改进之处在于，所述方法包括

(1)对被测设备发出的被测报文进行一致性测试；

(2)对被测报文进行变异测试；

(3)生成测试日志和统计报告。

优选的，所述步骤(1)包括

(1.1)功能点遍历***顺次向被测设备发送接收到的被测报文R_j；

(1.2)接收到被测报文R_j后的被测设备向测试仪发出应答报文A_j；

(1.3)功能点遍历***将得到应答报文的通信功能点记录入功能点遍历测试序列模块。

优选的，所述步骤(2)包括

(2.1)选择变异字段、测试类型；

(2.2)生成n份变异测试样本，并对每份变异测试样本生成对应的预期结果，对生成的n个变异测试样本进行变异测试；

(2.3)测试仪按序向被测设备发送i个变异测试样本；

(2.4)测试仪判断被测设备响应是否与预期结果一致；是则报“被测设备状态正常”，向所述被测设备发送检测报文，令i＝i+1，并返回步骤(2.3)；

(2.5)测试仪记录问题样本，报“被测设备出现问题”，对变异测试样本进行检测，令i＝i+1，并返回步骤(2.3)；

其中，i的初始值为1。

进一步地，所述步骤(2.4)包括测试仪向所述被测设备发送检测报文的间隔次数的最大值由配置参数决定。

进一步地，所述步骤(2.5)包括

(2.5.1)所述测试仪间隔向所述被测设备发送检测报文；

(2.5.2)所述测试仪判断是否收到响应报文；不是则记录问题样本，报“被测设备出现异常”，并对被测设备进行初始化设置；

其中，所述测试仪向所述被测设备发送检测报文的间隔次数的最大值由配置参数决定。

优选的，所述步骤(3)中生成的测试日志及统计报告用于记录测试过程的实际报文交互情况和问题统计信息。

进一步地，所述测试过程的实际报文交互情况包括：实时记录被测报文、被测字段、原始报文和变异报文信息，测试交互报文，返回报文检测和设备状态检测结果，以及被测设备初始化的提示；

测试结束后，生成放入统计报告中的所述问题统计信息，其包括总测试用例数、总测试样本数、已测试用例数、已测试样本数、未通过的测试功能点、被测设备出现异常次数及测试样本、被测设备出现问题次数及测试样本。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明实现对被测工业自动化***及终端的攻击的自动检测，从而发现被测设备的MODBUSTCP规约实现缺陷，且可减少测试问题漏报、误判的情况，并有效解决测试进程中断的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法流程图。

图2为本发明提供的模糊测试的工作原理图。

图3为本发明提供的功能点遍历测试序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的一种MODBUSTCP实现缺陷检测***，其包括：测试仪和与其连接的被测设备；测试仪包括功能点遍历***和接收其遍历结果的规约报文变异测试***。

功能点遍历***设置有功能点遍历测试序列模块；功能点遍历***对被测设备的通信功能点进行遍历，并记录相互对应的交互报文，生成存储在功能点遍历测试序列模块中的功能点遍历测试序列。

功能点遍历***顺次向被测设备发送接收到的被测报文R_j，被测设备在接收到被测报文R_j后，向测试仪发出应答报文A_j，功能点遍历***将得到应答报文的通信功能点记录入功能点遍历测试序列。

规约报文变异测试***包括：依次连接的测试用例设计模块、变异测试样本生成及预期结果模块和变异样本测试模块，以及分别与测试用例设计模块连接的变异算法模块和手工编辑报文测试模块。

测试用例设计模块选择被测报文中的字段，选取被测字段试用的测试类型。

变异算法模块包括：依次设置的基本变异组件、缓冲区溢出组件、域缺失组件和组合变异组件。

变异测试样本生成及预期结果模块，调用基本变异组件，生成与被测字段对应的变异测试样本；变异测试样本生成及预期结果模块，针对报文中自定义字段，调用缓冲区溢出组件，构造超长字段的变异测试样本；变异测试样本生成及预期结果模块，调用域缺失组件，对被测字段进行零填充处理，省略该字段的填充；变异测试样本生成及预期结果模块，调用组合变异组件，根据字段变异的情况，对字段采用基本变异、缓冲区溢出和域缺失组合的方式进行变换测试。

基本变异组件对被测字段为地址域和类型标识的情况，采取全变异测试，全变异测试的变异测试样本数＝2^m，m为变异字段的位数。

缓冲区溢出组件测试的变异测试样本报文长度字段，取值可选择不变或加超长字段长度值。

域缺失组件测试的变异测试样本报文长度字段，取值可选择不变或减省略字段长度值。

变异测试样本生成及预期结果模块，调用手工编辑报文测试模块，手工输入测试报文，并设置测试报文发送的次数及顺序。

变异测试样本生成及预期结果模块，将每份变异测试样本生成一个对应的预期结果，并将生成的测试样本传输给变异测试模块。

变异测试模块，对接收到的测试样本进行变异测试。

如图1所示，本发明提供一种MODBUSTCP实现缺陷检测***的检测方法，检测方法包括如下步骤：

(1).对被测设备发出的被测报文进行一致性测试；

(2).对被测报文进行变异测试；

(3).生成测试日志和统计报告。

如图3所示，在步骤1中，测试仪的功能点遍历***对被测设备的通信功能点进行遍历，并记录相互对应的交互报文，生成存储在功能点遍历测试序列模块中的功能点遍历测试序列。

步骤1包括如下步骤：

(1-1).功能点遍历***顺次向被测设备发送接收到的被测报文R_j；

(1-2).被测设备在接收到被测报文R_j后，向测试仪发出应答报文A_j；

(1-3).功能点遍历***将得到应答报文的通信功能点记录入功能点遍历测试序列。

如图1所示，在步骤2中，测试用例设计模块选择被测报文中的字段，选取被测字段试用的测试类型；变异测试样本生成及预期结果模块，分别调用变异算法模块和手工编辑报文测试模块生成测试样本组；变异测试模块，对接收到的测试样本组进行变异测试。

步骤2包括如下步骤：

(2-1).选择变异字段、测试类型；

(2-2).生成n份变异测试样本，并对每份变异测试样本生成对应的预期结果，对生成的n个变异测试样本进行变异测试；

(2-3).测试仪按序向被测设备发送i个变异测试样本；

(2-4).测试仪判断被测设备响应是否与预期结果一致；若是则报“被测设备状态正常”，向被测设备发送检测报文，令i＝i+1，并返回步骤2-3；

(2-5).测试仪记录问题样本，报“被测设备出现问题”，对变异测试样本进行检测，令i＝i+1，并返回步骤2-3；

其中，i的初始值为1。

在步骤2-4中，测试仪向被测设备发送检测报文的间隔次数的最大值由参数决定。

在步骤2-5中，对变异测试样本进行检测的步骤如下：

(2-5-1).测试仪间隔向被测设备发送检测报文；

(2-5-2).测试仪判断是否收到响应报文；若不是则记录问题样本，报“被测设备出现异常”，并对被测设备进行初始化设置；

其中，测试仪向被测设备发送检测报文的间隔次数的最大值由参数配置决定。

在步骤3中生成的测试日志及统计报告用于记录测试过程的实际报文交互情况和问题统计信息；测试过程实时记录被测报文、被测字段、原始报文和变异报文信息，测试交互报文，返回报文检测和设备状态检测结果，以及被测设备初始化的提示；测试结束后生成放入统计报告中的统计信息包括：总测试用例数、总测试样本数、已测试用例数、已测试样本数、未通过的测试功能点、被测设备出现异常次数及测试样本、被测设备出现问题次数及测试样本。

实施例

本发明针对现有协议健壮性测试方法在MODBUSTCP协议健壮性测试存在的测试覆盖面受测试人员经验约束、漏报误判测试问题、测试深度和效率低等适用性问题，无法达到提供一种适用于工业自动化***的MODBUSTCP协议实现缺陷检测方法。本发明在MODBUSTCP协议一致性测试实现工业自动化***协议报文及功能点全覆盖的基础上，引入模糊测试的技术原理，提供一种面向工业自动化***通信安全的MODBUSTCP协议实现缺陷检测方法。

测试过程包括以下步骤：

(1)测试环境搭建

连接被测对象与MODBUSTCP协议解析及报文构造工具，对被测对象和测试工具进行协议选择及通道建立的设置。

(2)设备功能点报文遍历

测试通道建立后，对被测设备进行MODBUSTCP协议一致性测试，通过MODBUSTCP协议一致性测试，实现对被测对象通信功能点遍历，并记录对应的正常交互报文。结合功能点在前置状态的要求，优化排序后通过自动化参数进行描述，生成“功能点遍历测试序列”(如图3)。“功能点遍历测试序列”的设置为通信功能点遍历提供了测试范本，方便缺少规约测试经验的测试人员，自动化开展测试并进行后续规约变异测试的测试用例设计。

通过设备功能点报文遍历测试，保证设备的协议报文实现与MODBUSTCP协议的一致性，作为后续规约报文变异测试的前提。

(3)规约报文变异测试

这部分是本专利提出的MODBUSTCP协议实现缺陷检测方法的核心。工业自动化设备在“通信功能点遍历”通过协议一致性测试的MODBUSTCP协议报文，通过执行报文变异测试，完成被测设备在MODBUSTCP协议实现上的缺陷检测。测试流程如图2所示：变异测试大体分为测试用例设计、变异测试样本生成及预期结果、变异样本测试三个环节。

1)测试用例设计：选择被测报文中的字段，凭借测试人员对协议的理解，选取被测字段试用的测试类型。主要测试类型及方法有：

(a)基本变异：通过调用变异算法，生成被测字段对应的变异测试样本。建议地址域、类型标识等字段采取全变异(即变异样本数＝2^m，m为变异字段的位数)，大于1字节的字段可根据测试需求，调整报文变异调用的模糊算法来控制测试粒度。

(b)缓冲区溢出：主要是针对报文中自定义字段，通过变异算法构造超长字段的变异测试样本。缓冲区溢出测试的变异测试样本报文长度字段，可选择不变或随超长字段做相应调整。

(c)域缺失：对字段进行零填充处理，故意省略该字段的填充。域缺失测试的变异测试样本报文长度字段，可选择不变或随省略字段长度做相应调整。

(d)组合变异：面向多个字段同时变异的情况，具体的变化方式会根据所选择字段的类型采用基本变异、缓冲区溢出和域缺失等方式组合进行变换。

2)变异测试样本生成及预期结果：测试用例调用变异算法生成了大量的变异测试样本，每个样本生成一个对应预期结果。这个环节的设置可以大大提升测试准确率。

3)变异样本测试：变异测试执行按样本顺序测试，每个样本发送1个异常报文。一个异常报文发送后，进行预期结果的检测，如不满足则执行设备状态检测；再发送后续异常报文。

设备状态检测时，测试仪间隔发送检测报文发送多次(次数由配置参数决定)，直到收到响应报文停止；这一设置主要是考虑到一些工业自动化设备具备一定异常处理机制，增加设备状态检测的时长，可以降低问题误判的几率。

设备状态检测报文的设置，用于检测被测设备连续接收到异常报文后设备的运行状态，通常选取不需设备进入前置状态的报文，测试MODBUSTCP可使用存储的功能点测试报文进行设备状态检测。如未对设备状态检测报文做出正确的响应，设备可能已经出现宕机的情况，需要对被测设备进行初始化设置(如重新建立通道)，保证后续测试的执行。

测试用例设计及测试执行过程，通过自动化参数进行描述，形成测试套被保存或加载，实现协议报文变异测试的自动化。

(4)测试日志及统计报告

测试日志及统计报告用于记录测试过程的实际报文交互情况和问题统计信息，方便测试人员快速便捷的发现及定位问题。测试过程实时记录被测报文、被测字段、原始报文、变异报文等信息，测试交互报文，返回报文检测和设备状态检测结果，以及被测设备初始化等提示。测试结束生成统计报告，统计信息可包括总测试用例数、总测试样本数、已测试用例数、已测试样本数、未通过的测试功能点、被测设备出现异常次数及测试样本、被测设备出现问题次数及测试样本等。

(5)手工编辑报文测试

手工编辑报文测试主要用于：协议报文变异测试环节不能涵盖的报文变异测试，以及协议报文变异测试环节发现问题的复现验证。测试人员可以手工编辑报文，并设置报文发送的次数及顺序，通过自动化参数进行描述，完成自动化测试执行。这一环节使测试人员最大限度地发挥测试技巧，实现更深层次的规约实现漏洞挖掘。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MODBUSTCP实现缺陷测试仪，其特征在于，所述测试仪包括功能点遍历***和接收其遍历结果的规约报文变异测试***；

所述功能点遍历***设置包括功能点遍历测试序列模块；

所述规约报文变异测试***包括依次连接的测试用例设计模块、变异测试样本生成及预期结果模块和变异样本测试模块，以及分别与所述测试用例设计模块连接的变异算法模块和手工编辑报文测试模块。

2.如权利要求1所述的一种MODBUSTCP实现缺陷测试仪，其特征在于，

所述变异算法模块包括依次连接的基本变异组件、缓冲区溢出组件、域缺失组件和组合变异组件；

所述变异测试样本生成及预期结果模块分别与基本变异组件、缓冲区溢出组件、域缺失组件和组合变异组件连接；

所述变异测试样本生成及预期结果模块与手工编辑报文测试模块连接。

3.一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述方法包括

(1)对被测设备发出的被测报文进行一致性测试；

(2)对被测报文进行变异测试；

(3)生成测试日志和统计报告。

4.如权利要求3所述的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括

(1.1)功能点遍历***顺次向被测设备发送接收到的被测报文R_j；

(1.2)接收到被测报文R_j后的被测设备向测试仪发出应答报文A_j；

(1.3)功能点遍历***将得到应答报文的通信功能点记录入功能点遍历测试序列模块。

5.如权利要求3所述的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤(2)包括

(2.1)选择变异字段、测试类型；

(2.2)生成n份变异测试样本，并对每份变异测试样本生成对应的预期结果，对生成的n个变异测试样本进行变异测试；

(2.3)测试仪按序向被测设备发送i个变异测试样本；

(2.4)测试仪判断被测设备响应是否与预期结果一致；是则报“被测设备状态正常”，向所述被测设备发送检测报文，令i＝i+1，并返回步骤(2.3)；

(2.5)测试仪记录问题样本，报“被测设备出现问题”，对变异测试样本进行检测，令i＝i+1，并返回步骤(2.3)；

其中，i的初始值为1。

6.如权利要求5所述的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤(2.4)包括测试仪向所述被测设备发送检测报文的间隔次数的最大值由配置参数决定。

7.如权利要求5所述的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤(2.5)包括

(2.5.1)所述测试仪间隔向所述被测设备发送检测报文；

(2.5.2)所述测试仪判断是否收到响应报文；不是则记录问题样本，报“被测设备出现异常”，并对被测设备进行初始化设置；

其中，所述测试仪向所述被测设备发送检测报文的间隔次数的最大值由配置参数决定。

8.如权利要求3所述的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中生成的测试日志及统计报告用于记录测试过程的实际报文交互情况和问题统计信息。

9.如权利要求8所述的一种MODBUSTCP实现缺陷检测方法，其特征在于，所述测试过程的实际报文交互情况包括：实时记录被测报文、被测字段、原始报文和变异报文信息，测试交互报文，返回报文检测和设备状态检测结果，以及被测设备初始化的提示；

测试结束后，生成放入统计报告中的所述问题统计信息，其包括总测试用例数、总测试样本数、已测试用例数、已测试样本数、未通过的测试功能点、被测设备出现异常次数及测试样本、被测设备出现问题次数及测试样本。