随着智能制造和大数据的迅猛发展,工业以太网协议随着工业控制系统的网络化变得趋向于开放化。由于工业以太网协议作为工业控制系统的关键因素,它的安全问题影响着整个系统,所以对其安全性研究尤为重要。虽然当前有许多对工业以太网协议安全和改进的研究,但是这些研究缺乏对协议的形式化建模与安全评估,只注重协议本身安全功能的实现,有一定的局限性。因此,将工业以太网协议进行形式化建模以及安全评估,对协议的安全研究和改进有巨大的科学价值。本文将目前应用比较广泛的EtherCAT协议作为研究实体,利用CPN Tools建模工具,以有色Petri网理论和Dolev-Yao攻击模型为方法指导,首先对该协议进行形式化建模,然后引入攻击者模型对协议进行安全评估,最后对评估结果提出相应的改进方案,并对改进方案进行了安全性验证。主要研究如下:1.基于有色Petri网理论的协议分层建模方法,通过对协议的主从站交互消息流模型的详细分解,利用CPN Tools建模工具,建立协议的3层HCPN模型。对协议主从站交互中的会话连接过程和安全数据传输过程进行细粒度的建模,反应协议运行过程的细节,分析状态空间结果验证协议模型的一致性。2.为了降低攻击者模型的状态空间,对原先的Dolev-Yao攻击者模型进行消息拆分组合和参数化攻击的改进。在原始协议的HCPN模型中,引入改进后的攻击者模型,包括篡改、重放和欺骗3类中间人攻击,建立原始协议的安全评估模型。通过对安全评估模型的状态空间分析,评估协议的安全性,发现协议存在的漏洞,并对漏洞进行分析。3.针对协议的安全评估结果和存在的漏洞,提出加入秘钥分发中心对协议会话连接进行认证以及对传输的数据加入哈希值的改进方案,来防御协议现存的篡改、重放和欺骗等中间人攻击威胁。并且,对改进方案进行安全性评估,验证方案的有效性。