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新型PLC蠕虫病毒及应对策略

随着“互联网+制造”的工业4.0概念的提出,独立、隔离的传统工控领域迎来了新的大数据互联时代。与此同时,工控安全的问题,也随着互联,被更广泛的暴露在了Internet中。在ShodanZoomEye等搜索网站中,可以很容易的搜索到真实工控现场工控设备的IP地址,并且可以利用组态软件访问到对应的设备。近几年来,越来越多的工控设备被暴露在了互联网上。

 

Black Hat2011Dillon Beresford等人在他们的报告《Exploiting Siemens Simatic S7 PLCs》中演示了如何通过西门子S7Comm协议的权限缺失漏洞来远程操作PLC。在Black Hat2015Johannes Klick 等在他们的报告《Internet-facing PLCs – A New Back Orifice》中演示攻击者如何通过代理,来发现内网中更多的PLC设备。本文将展示的是一种新型的PLC蠕虫病毒,该病毒可以不借助上位PC机,仅通过PLC之间进行互相传播。该病毒的实现思路,适用于多个厂家的PLC设备,并且可以在一定规则范围内相互进行传播。本文采用西门子PLC举例进行说明。

 

西门子PLC简介

PLC全称为Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,是一种采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。西门子作为全球PLC市场占有率最高的PLC设备厂家,其产品系列主要包括S7-200S7-300S7-400S7-1200S7-1500等。其中S7-200S7-300S7-400系列的PLC采用早期的西门子私有协议S7Comm进行通信。S7Comm协议已被研究者完全掌握,并且在github上可以下载到该协议的插件。S7-1200系列固件版本为V3.0以下的PLC采用西门子新一代的S7Comm-Plus协议进行通信。该协议采用了一些特殊编码规范,并且做了抗重放攻击的防护。但是其安全防护仍然较弱,已被基本破解。S7-1200系列固件版本为V3.0以上,以及S7-1500系列的PLC,采用了最新的S7Comm-Plus协议,该协议对比之前S7Comm-Plus协议,采用了加密算法,目前仍未被研究透彻。

西门子PLC通过Step7以及WinCC软件进行组态,目前最新版本为TIA Portal V13。其中使用Step7进行下位机组态,WinCC进行上位机组态。

Step7组态软件中,用户通过编写POU程序块来完成工业现场的控制以及工艺流程的实现。西门子POU程序块包括:

OBOrganization Block ):组织块,为用户程序的入口程序块

FBFunction Block):功能函数块,实现一些封装好的函数功能

FCFunction):函数块,为用户编写的程序

DBData Block):数据块,用来存放全局变量

SFBSystem Function Block):系统功能函数库,系统内部封装的函数块

SFCSystem Function):系统函数库,系统内部封装的函数

Step7程序块的组态语言包括LD(梯形图),FBD(功能块图)、SCL(结构化控制语言)、STL(语句列表)。

西门子PLC在进行程序下装的过程中,首先会在下装前停止PLC的运算,下装程序完成后再重新启动PLC

病毒的实现

对于病毒的实现流程,首先选择IP尝试建立连接,如果连接建立成功,则检查目标PLC是否已被感染。如连接未建立成功,或目标PLC已被感染,则选择新IP重新尝试建立连接。如目标PLC未被感染,则停止目标PLC,下装病毒程序,最后重新启动目标PLC。流程如图1所示。

病毒实现流程

病毒实现流程

寻找目标

所有的西门子PLC通过102端口进行TCP通信,因此可以通过尝试建立102端口的TCP通信来进行目标的寻找。Step7组态软件中提供了两个FB块,TCON以及TDISCON,如图2所示。TCON用来建立TCP连接,其中REQ输入管脚通过上升沿信号触发,CONNECT输入管脚配置TCON建立连接的如对端IP、对端端口号,本机端口号,通信方式等相关参数。TDISCON用来断掉TCP连接,REQ上升沿触发。

建立及断开TCP连接的功能块

图3为尝试建立连接的FC块,首先使用TCON块建立连接,如果建立成功,即输出管脚DONE为TRUE时,则置状态字con_state为20,继续下一步病毒的传播感染操作。如连续200次建立连接不成功,则置状态字con_state为0。

使用TCON块尝试建立连接

使用TCON块尝试建立连接

如连接未成功建立或病毒传播完成,即状态字con_state为0时,则使用TDISCON做断开连接操作,如果输出管脚ERROR或输出管脚DONE为TRUE时,将TCON输入管脚CONNECT中的对端IP末位加一,并使用该新IP再次尝试建立连接。实现过程如图4所示。

使用TDISCON进行连接的断开并更改IP

使用TDISCON进行连接的断开并更改IP

成功建立连接后,首先判断目标PLC是否已经感染该病毒,通过TSEND功能块发送相关数据报文,并对返回的报文进行判断,如未被感染,则继续执行病毒的传播过程,如已感染,则置状态字con_state为0,重新更换IP尝试建立连接。

检测目标PLC是否已感染病毒

检测目标PLC是否已感染病毒

传播感染

正常情况下,博途软件会对PLC进行程序的下装操作,而下装过程正式利用了西门子私有的S7协议。在西门子PLC简介章节中提到西门子S7Comm协议以及早期的S7Comm-Plus协议已可以被研究者熟悉利用。因此在传播感染阶段,可以根据S7协议的内容,通过伪造博途软件下装程序的报文,可以实现PLC到PLC的程序传输操作。也就是说已感染病毒的PLC向目标PLC发送下装程序块的报文,而目标PLC识别到报文后,误以为是博途软件对其进行下装,最后会将报文中的相关功能块存储在PLC中。

Step7组态软件中使用TSEND功能块进行数据的发送,使用TRCV功能块进行数据的接收,如图6所示。在TSEND块中,REQ输入管脚上升沿触发,DATA为需要发送的数据区。在TRCV中,EN_R上升沿触发,DATA为接收数据的存储区,RCVD_LEN为实际接收到数据的长度。

发送及接收数据功能块

发送及接收数据功能块

在程序的发送过程中,需要满足S7协议的相关通信时序以及报文格式。图7所示为S7建立连接的过程。首先是TCP的三次握手,接下来建立COTP连接,建立完成后进行S7协议的连接建立。建立成功后可以使用S7协议进行启停PLC、下装程序、PLC中数据读写等正常操作。

S7协议通信时序

S7协议通信时序

S7通信协议应用层数据封装模型如图8所示,其中:

TCP:即传输控制协议,是一种面向连接(连接导向)的、可靠的、基于IP的传输层协议,在IETF的RFC 793标准中进行定义。

ISO-ON-TCP:即基于TCP的ISO传输服务,在在IETF的RFC1006标准中进行说明。

ISO Transport protocol:即ISO传输协议,在ISO8073中进行说明。

S7协议应用层数据分布

S7协议应用层数据分布

图9为下装程序块的S7Comm数据报文,其中0x32为S7Comm协议标识符,Protocol Data Unit Reference为协议数据单元标识符,在S7Comm协议中用作通信过程的时序标记。Function标识了该数据报文的功能。Data报文区为所对应功能块的内容。

功能块下装数据报文

功能块下装数据报文

在博途软件中,使用FC功能块实现连接的建立,寻找新的目标IP,判断目标PLC是否已被感染病毒,并进行病毒程序的传播等功能。使用一个DB数据块存放FC功能块中所用到的所有全局变量,使用另外一个DB数据块存放病毒感染全部过程所需要的报文内容。

激活

建立调用病毒程序的OB块OB9999,并将其存植入到目标PLC中,用以激活病毒,并进行新的病毒传播感染。西门子PLC在运行时,会按照从OB1到OB9999的顺序进行调用。如图10所示。

西门子PLC程序调用步骤

西门子PLC程序调用步骤

恶意功能的实现

  • C&C服务器
  • 一旦PLC被感染病毒,会基于TCP主动去连接C&C服务器。通过C&C服务器,可以远程控制PLC,包括PLC的启停,输出值的改变等。
  • Socks4代理
  • 一旦PLC被病毒感染,在局域网中的其他PLC,可以通过Socks4代理连接到C&C服务器。
  • 拒绝服务攻击
  • 可以向PLC中下装例如死循环、除零或者负数开方的程序,让PLC停止工作。
  • 改变输出值
  • 可以通过编写正常的PLC程序,来改变输出值,进而影响现场设备的正常运行。

检测与防护

病毒的检测

  • 利用博途软件
  • 博途软件提供了PLC程序在线与离线差异的检测功能,如图11所示。程序块后面的绿色圆圈表示在线程序与离线程序一致,蓝色与橘黄色组成的圆形表示在线程序与离线程序不一致。
博途软件对程序在线离线一致性的检测

博途软件对程序在线离线一致性的检测

  • 观察PLC的状态灯
  • 下装程序的过程中会导致PLC的停止与启动,在此期间,所有模拟量数值与开关量状态会保持不变。然后该时间仅有几秒钟,操作员可能会忽视该细节。
  • 使用工控漏扫设备
  • 使用工控漏扫设备对PLC进行扫描,由于病毒程序必须利用较大编号的OB块。因此扫描较大编号的OB块可以对病毒进行检测。
  • 检测网络
  • 在病毒进行传播的过程中,网络中会出现PLC与PLC通信的数据报文,根据该异常报文可以检测出病毒测存在。
  • 病毒的存活性

 

  • 重启PLC
  • 病毒为正常的程序块,因此重启PLC后,该病毒仍存在于PLC中,并且正常运行。
  • 恢复到出厂设置
  • 恢复到出厂设置会清空PLC中的所有程序,因此病毒程序连同正常程序一起会被清空。
  • 下装程序

如果有正常的OB9999组织块,或者与病毒同编号的FC块、DB块的下装,则病毒会被新下装的程序覆盖,并且不会再次被感染

病毒的防护

  • 设置权限密码
  • 工控厂商对于自己产品,在协议层设置权限密码,没有密码的清空下,不可以利用协议来与PLC建立通信连接。
  • 在工控系统中布置IDS/审计系统
  • 布置IDS/审计系统,通过工控协议特征值的采集、分析与识别,如发现异常数据包,则记录日志或报警
  • 布置工控防火墙
  • 通过工控防火墙,对异常数据包进行检测以及隔离防护

 


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