新型PLC蠕虫病毒及应对策略
2016-09-08
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。
在Black Hat2011，Dillon 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 Hat2015，Johannes 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S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500等。其中S7-200、S7-300、S7-400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。
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）：功能函数块，实现一些封装好的函数功能
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）：系统功能函数库，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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
- 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
