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新型PLC蠕虫病毒及应对战略
2016-09-08
随着“互联网+制造”的工业4.0看法的提出，自力、隔离的古板工控领域迎来了新的大数据互联时代。与此同时，工控清静的问题，也随着互联，被更普遍的袒露在了Internet中。在Shodan、ZoomEye等搜索网站中，可以很容易的搜索到真实工控现场工控装备的IP地点，并且可以使用组态软件会见到对应的装备。近几年来，越来越多的工控装备被袒露在了互联网上。
在Black Hat2011，Dillon Beresford等人在他们的报告《Exploiting Siemens Simatic S7 PLCs》中演示了怎样通过西门子S7Comm协议的权限缺失误差来远程操作PLC。在Black Hat2015，Johannes Klick 等在他们的报告《Internet-facing PLCs – A New Back Orifice》中演示攻击者怎样通过署理，来发明内网中更多的PLC装备。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之间举行相互撒播。该病毒的实现思绪，适用于多个厂家的PLC装备，并且可以在一定规则规模内相互举行撒播。本文接纳西门子PLC举例举行说明。
西门子PLC简介
PLC全称为Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，是一种接纳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、准时、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/输出控制种种类型的机械或生产历程。西门子作为全球PLC市场占有率最高的PLC装备厂家，其产品系列主要包括S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500等。其中S7-200、S7-300、S7-400系列的PLC接纳早期的西门子私有协议S7Comm举行通讯。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接纳西门子新一代的S7Comm-Plus协议举行通讯。该协议接纳了一些特殊编码规范，并且做了抗重放攻击的防护。可是其清静防护仍然较弱，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，接纳了最新的S7Comm-Plus协议，该协议比照之前S7Comm-Plus协议，接纳了加密算法，现在仍未被研究透彻。
西门子PLC通过Step7以及WinCC软件举行组态，现在最新版本为TIA Portal V13。其中使用Step7举行下位机组态，WinCC举行上位机组态。
在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：
OB（Organization Block ）：组织块，为用户程序的入口程序块
FB（Function Block）：功效函数块，实现一些封装好的函数功效
FC（Function）：函数块，为用户编写的程序
DB（Data Block）：数据块，用来存放全局变量
SFB（System Function Block）：系统功效函数库，系统内部封装的函数块
SFC（System 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（功效块图）、SCL（结构化控制语言）、STL（语句列表）。
西门子PLC在举行程序下装的历程中，首先会在下装前阻止PLC的运算，下装程序完成后再重新启动PLC。
病毒的实现
关于病毒的实现流程，首先选择IP实验建设毗连，若是毗连建设乐成，则检查目的PLC是否已被熏染。如毗连未建设乐成，或目的PLC已被熏染，则选择新IP重新实验建设毗连。如目的PLC未被熏染，则阻止目的PLC，下装病毒程序，最后重新启动目的PLC。流程如图1所示。
病毒实现流程
寻找目的
所有的西门子PLC通过102端口举行TCP通讯，因此可以通过实验建设102端口的TCP通讯来举行目的的寻找。Step7组态软件中提供了两个FB块，TCON以及TDISCON，如图2所示。TCON用来建设TCP毗连，其中REQ输入管脚通过上升沿信号触发，CONNECT输入管脚设置TCON建设毗连的如对端IP、对端端口号，本机端口号，通讯方法等相关参数。TDISCON用来断掉TCP毗连，REQ上升沿触发。
图3为实验建设毗连的FC块，首先使用TCON块建设毗连，若是建设乐成，即输出管脚DONE为TRUE时，则置状态字con_state为20，继续下一步病毒的撒播熏染操作。如一连200次建设毗连不乐成，则置状态字con_state为0。
使用TCON块实验建设毗连
如毗连未乐成建设或病毒撒播完成，即状态字con_state为0时，则使用TDISCON做断开毗连操作，若是输出管脚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再次实验建设毗连。实现历程如图4所示。
使用TDISCON举行毗连的断开并更改IP
乐成建设毗连后，首先判断目的PLC是否已经熏染该病毒，通过TSEND功效块发送相关数据报文，并对返回的报文举行判断，如未被熏染，则继续执行病毒的撒播历程，如已熏染，则置状态字con_state为0，重新替换IP实验建设毗连。
检测目的PLC是否已熏染病毒
撒播熏染
正常情形下，博途软件会对PLC举行程序的下装操作，而下装历程正式使用了西门子私有的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使用。因此在撒播熏染阶段，可以凭证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。也就是说已熏染病毒的PLC向目的PLC发送下装程序块的报文，而目的PLC识别到报文后，误以为是博途软件对其举行下装，最后会将报文中的相关功效块存储在PLC中。
Step7组态软件中使用TSEND功效块举行数据的发送，使用TRCV功效块举行数据的吸收，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为吸收数据的存储区，RCVD_LEN为现实吸收到数据的长度。
发送及吸收数据功效块
在程序的发送历程中，需要知足S7协议的相关通讯时序以及报文名堂。图7所示为S7建设毗连的历程。首先是TCP的三次握手，接下来建设COTP毗连，建设完成后举行S7协议的毗连建设。建设乐成后可以使用S7协议举行启停PLC、下装程序、PLC中数据读写等正常操作。
S7协议通讯时序
S7通讯协议应用层数据封装模子如图8所示，其中：
TCP：即传输控制协议，是一种面向毗连（毗连导向）的、可靠的、基于IP的传输层协议，在IETF的RFC 793标准中举行界说。
ISO-ON-TCP：即基于TCP的ISO传输服务，在在IETF的RFC1006标准中举行说明。
ISO Transport protocol：即ISO传输协议，在ISO8073中举行说明。
S7协议应用层数据漫衍
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为协议数据单位标识符，在S7Comm协议中用作通讯历程的时序标记。Function标识了该数据报文的功效。Data报文区为所对应功效块的内容。
功效块下装数据报文
在博途软件中，使用FC功效块实现毗连的建设，寻找新的目的IP，判断目的PLC是否已被熏染病毒，并举行病毒程序的撒播等功效。使用一个DB数据块存放FC功效块中所用到的所有全局变量，使用另外一个DB数据块存放病毒熏染所有历程所需要的报文内容。
激活
建设挪用病毒程序的OB块OB9999，并将其存植入到目的PLC中，用以激活病毒，并举行新的病毒撒播熏染。西门子PLC在运行时，会凭证从OB1到OB9999的顺序举行挪用。如图10所示。
西门子PLC程序挪用办法
恶意功效的实现
- C&C服务器
- 一旦PLC被熏染病毒，会基于TCP自动去毗连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署理
- 一旦PLC被病毒熏染，在局域网中的其他PLC，可以通过Socks4署理毗连到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阻止事情。
- 改变输出值
- 可以通过编写正常的PLC程序，来改变输出值，进而影响现场装备的正常运行。
检测与防护
病毒的检测
- 使用博途软件
- 博途软件提供了PLC程序在线与离线差别的检测功效，如图11所示。程序块后面的绿色圆圈体现在线程序与离线程序一致，蓝色与橘黄色组成的圆形体现在线程序与离线程序纷歧致。
博途软件对程序在线离线一致性的检测
- 视察PLC的状态灯
- 下装程序的历程中会导致PLC的阻止与启动，在此时代，所有模拟量数值与开关量状态会坚持稳固。然后该时间仅有几秒钟，操作员可能会忽视该细节。
- 使用工控漏扫装备
- 使用工控漏扫装备对PLC举行扫描，由于病毒程序必需使用较大编号的OB块。因此扫描较大编号的OB块可以对病毒举行检测。
- 检测网络
- 在病毒举行撒播的历程中，网络中会泛起PLC与PLC通讯的数据报文，凭证该异常报文可以检测出病毒测保存。
- 病毒的存活性
- 重启PLC
- 病毒为正常的程序块，因此重启PLC后，该病毒仍保存于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
若是有正常的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笼罩，并且不会再次被熏染
病毒的防护
- 设置权限密码
- 工控厂商关于自己产品，在协议层设置权限密码，没有密码的清空下，不可以使用协议来与PLC建设通讯毗连。
- 在工控系统中安排IDS/审计系统
- 安排IDS/审计系统，通过工控协议特征值的收罗、剖析与识别，如发明异常数据包，则纪录日志或报警
- 安排工控防火墙
- 通过工控防火墙，对异常数据包举行检测以及隔离防护
