工业控制系统起初是封闭的且规模较小,只需保证物理上的安全就基本满足要求了,因此现场总线协议Modbus的最初设计就未将安全因素考虑在内。随着工控系统的发展以及TCP IP协议的广泛应用,Modbus协议与TCP IP进行了融合,形成Modbus TCP。而Modbus TCP协议并未解决原有Modbus协议存在的安全问题,甚至还引入了TCP IP协议的设计缺陷,这使得Modbus TCP协议的安全问题更加严峻。传统防火墙与入侵检测等网络安全设备只能从网络层以及传输层对数据进行防护,无法防御针对应用层的攻击。本文对Modbus TCP协议本身以及相关文献作了深入研究,分析其存在的一些不足,并对该协议做了改进,提出了一种更加安全的通信协议(Modbus-E协议),实现工业控制系统的安全加固。本文针对Modbus TCP协议设计存在的安全问题,如缺乏身份认证机制、完整性校验机制、防重放机制、功能码滥用防护机制以及数据加密传输机制等,基于密码学原理提出一种安全的Modbus协议(Modbus-E协议)。该协议以Modbus TCP协议为基础,通过添加填充字段实现对原工业控制系统的安全加固。针对原协议缺乏身份认证机制和完整性校验机制,Modbus-E协议通过利用数字签名算法,对数据进行签名保证数据的可认证性;针对原协议缺少防重放机制,Modbus-E协议利用同步性原理和哈希函数的单向性原理在ADU字段前添加同步标识字段确保数据的唯一性。针对原协议缺少功能码滥用防护机制,本文通过设置基于“权限等级-IP-设备ID-功能码”四元组的“白名单”过滤机制,保证了指令的可控性。针对原协议缺少数据加密传输机制,Modbus-E协议使用对称密钥算法,对原Modbus TCP协议的PDU字段进行了数据加密,保证了数据的机密性。最终在不增加通信过程的情况下实现数据的安全通信。通过仿真实验验证和结果分析,Modbus-E协议能够防止攻击者针对指令的认证类攻击、中间人攻击及重放攻击,与已有方法相比,该方法安全性更强,传输速率更高效,可以全面提高Modbus TCP通信的安全性。