This paper extends the Single Packet Header Binary Image (SPHBI) intrusion detection methodology from IoT to Modbus TCP, evaluating five approaches spanning a gradient of protocol depth on the CIC Modbus 2023 dataset (11.4 million packets, eight detectable attack types). TCP/IP headers alone achieve only 51.8% binary accuracy, confirming that header-level heterogeneity exploited in IoT traffic is absent in uniform SCADA environments. Adding eight bytes of application-layer information improves binary accuracy to 98.1% with just 63 parameters, directly relevant to per-packet classification on resource-constrained OT edge devices. The best-performing approach achieves 94.4% +/- 2.2pp multiclass accuracy across nine classes (95% CI [92.9%, 95.9%], 10 seeds) with 56,873 parameters, roughly 430 times fewer than comparable ResNet50-based approaches. Per-class recall analysis shows seven of eight detectable attack types identified with recall above 94%, while replay attacks remain structurally undetectable by any single-packet method.


翻译:本文将单包头部二值图像(SPHBI)入侵检测方法论从物联网扩展至Modbus TCP,在CIC Modbus 2023数据集(1140万数据包,八种可检测攻击类型)上评估了覆盖不同协议深度的五种方法。仅使用TCP/IP头部时二值分类准确率仅为51.8%,证实了物联网流量中利用的头部异构性在统一的SCADA环境中并不存在。添加八个字节的应用层信息后,仅需63个参数即可将二值分类准确率提升至98.1%,这直接适用于资源受限的OT边缘设备上的逐包分类任务。性能最优的方法在九类分类中实现了94.4%±2.2个百分点的多类准确率(95%置信区间[92.9%,95.9%],10次随机种子),参数数量为56,873,约为基于ResNet50的同类方法的1/430。各类别召回率分析显示,八种可检测攻击类型中有七种的召回率高于94%,而重放攻击仍无法被任何单包方法从结构上检测。

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