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针对Modbus/TCP协议的安全缺陷，基于密码学技术提出一种安全的Modbus协议（Sec_Modbus协议）。采用对称加密和数字签名技术实现保密性要求及认证，利用同步性原理和哈希函数的单向性设计基于哈希链的防重放方法，通过随机函数产生索引号动态指定通信密钥，最终在不增加通信过程的情况下实现安全通信。实验结果表明，Sec_Modbus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，该方法不仅安全性更高，且具有更好的时间性能，能更好地满足工业控制系统对安全性和实时性的要求。