随着工业4.0的到来,工业控制系统逐渐接入互联网,在提高系统工作效率的同时,也带来了一些安全风险,开放性协议的应用,导致工控设备更易受到网络攻击,如何保障工业设备安全运行,成为工控领域亟待解决的重要问题。利用模糊测试技术(Fuzzing)进行漏洞挖掘,是保障系统安全的常用方法。该方法通过向目标系统发送大量非法数据并监视系统运行情况来发现漏洞。测试用例由随机、不合逻辑的杂乱数据报文构成,将其发送给被测设备,可以发现一些由常规逻辑思维难以发现的安全漏洞。然而模糊测试方法应用在工控协议中存在一定的局限性。测试用例生成策略的优劣是决定漏洞挖掘能力的关键因素,在传统网络中利用代码覆盖率反映测试效果,以此调整测试用例生成策略,提高测试用例有效性。但是工控设备系统封闭,无法计算代码覆盖率,因此难以判断测试用例在输入目标对象后是否产生了良好的测试效果,也就无法在测试中调整测试用例生成策略。为此本文提出了一种基于异常字段定位的工控网络协议模糊测试方法,并以当前工控领域应用最广泛的Modbus TCP协议为例进行说明与实验。通过在测试过程中定位触发漏洞的具体字段,不断优化测试用例生成策略,从而使测试用例具有更好的漏洞挖掘效果。既改善了测试用例生成方法缺乏指导性、测试效率低的问题,也实现了对漏洞的字段级定位。该方法首先对国内外权威漏洞库中的工控网络协议漏洞进行调研,分析已知漏洞的相关信息,根据Modbus TCP漏洞产生的原因和不同协议字段的特点,构造用于组成测试用例的变异算子。接下来提出了一种异常字段定位方法,利用基于粗糙集的属性约简算法对测试用例的字段属性进行约简,定位异常测试用例中触发漏洞的关键字段。最后通过一种基于变异概率函数的测试用例生成方法,将字段定位的结果反馈到测试用例生成过程中,动态调整不同字段的变异概率,增加易触发漏洞的协议字段的变异频率,降低无关字段的变异频率,优化测试用例,避免模糊测试的盲目性。本文以真实工控设备为被测对象,对所提出的方法进行实验。发现了三种Modbus TCP协议漏洞,其中包括一种首次发现的漏洞,已被国家信息安全漏洞共享平台授予原创性证明。同时在与其他方法进行对比实验中,验证了本文方法的优越性。