针对西门子PLC蠕虫的实现
作者：icsmaster
研究背景
随着“互联网+”、“中国智能制造2025“、“工业4.0”等概念的提出，为了提高生产率，独立、隔离的传统工控领域将迎来了新的互联网时代，越来越多的工控设备（如控制器、机器人、数控机床）将被暴露在互联网上或者与企业内网相连。随着互联网时代的来临，安全问题会越来越突出。然而，工业控制系统的安全不同于传统信息网络的安全，一旦出现网络攻击，后果不堪设想。关于工控病毒相关关键事件如下：
2010年伊朗核设施遭受“震网”超级病毒攻击，病毒的复杂程度超出人们的想象，该事件也被称为世界上首个“网络超级武器”事件。由于工业病毒攻击可以直接导致物理设备的故障，并进一步造成生产瘫痪甚至爆炸的灾难性后果。
Black Hat 2011报告《Exploiting Siemens Simatic S7 PLCs》，演示了通过西门子S7Comm协议的权限缺失漏洞来远程操作PLC，对PLC进行启停控制、内存的读写。
Black Hat 2015报告《Internet-facing PLCs – A New Back Orifice》，演示了如何通过PLC实现通信代理，通过PLC突破网络边界，来发现内网中更多的PLC设备。
Black Hat 2016报告《PLC-Blaster: A Worm Living Solely in the PLC 》，提出了PLC蠕虫病毒的概念,提出了西门子1200 V3版本协议认证的缺陷，但没有具体的实现细节。
近日，工匠实验室工控安全专家针对PLC进行深入研究，通过梯形图和SCL相结合的方式，利用PLC自身通信功能, 复现了这个病毒，实现了病毒在PLC与PLC之间进行传播。同时，针对这一病毒，我们已经开发了相应的检测工具，这标志着华创网安在工控安全领域掌握了这方面的核心技术，也体现了工控领域的研发实力。
PLC基本结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：
1.中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC 的可靠性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统，或采用三CPU 的表决式系统。这样，即使某个CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。
2.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区、系统RAM 存储区（包括I/O 映象区和系统软设备等）、用户程序存储区
3.电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在±10%（±15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC 直接连接到交流电网上去。
4.输入/输出电路I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
蠕虫介绍
蠕虫病毒是一种常见的计算机病毒。它是利用网络进行复制和传播，传染途径是通过网络和电子邮件。最初的蠕虫病毒定义是因为在DOS环境下，病毒发作时会在屏幕上出现一条类似虫子的东西，胡乱吞吃屏幕上的字母并将其改形。蠕虫病毒是自包含的程序（或是一套程序），它能传播自身功能的拷贝或自身的某些部分到其他的计算机系统中（通常是经过网络连接）。
工控蠕虫主要的针对的对象是工业控制设备，通过控制器之间进行病毒传播，这与传统计算机蠕虫是存在很大差别，传统蠕虫寄生对象都是计算机（Window或者Linux），工控蠕虫寄生对象是控制器逻辑代码中。由于病毒可以混淆于正常的控制逻辑代码中，传统防御方式都不适合于工控蠕虫的防护，检测与查杀的方式更强困难。虽然工控蠕虫与计算机蠕虫存在很多的不同点，但所有的蠕虫的基本架构都是相同的。所有的蠕虫攻击都可以归为一下几个阶段：搜索目标，感染目标，在目标上执行，添加恶意功能。由于PLC控制器提供网络通信能力，在PLC上蠕虫也同样支持这些功能。这篇文章将展示每个必须组件的实现方法。
蠕虫实现
蠕虫实现的主要的编程软件为西门子的TIA Portal(博途)，在TIA Portal(博途)编程软件中，用户通过编写程序来完成工业现场的控制以及工艺流程的实现。博途中分为以下几类块：
OB(Organization Block )：组织块，为程序的入口块，被系统直接调用（其他块不可以被系统直接调用，必须包含在OB中才可以执行）。
FB(Function Block)：功能块，既可以是博途中已包含的功能块，也可以是用户自己编写的块，编程中需要带背景数据块（又叫实例数据块，Instance Data Block）使用。
FC(Function)：功能，既可以是博途中已包含的功能块，也可以是户自己编写，不可以带背景数据块。
DB(Data Block)：数据块，分为背景数据块和共享数据块，其中背景数据块为私有块。编程时，户可以定义共享数据块的数据存储结构，不可以定义背景数据块的数据存储结构，必须由FB定义。数据块中的数据掉电不丢失。
SFB(System Function Block)：系统功能块，系统内部功能块，用户不可自己编写，不可更改，使用同FB。
SFC(System Function)：系统功能，系统内部功能，用户不可自己编写，不可更改，使用同FC。博途软件支持的编程语言有： LD(梯形图)，FBD(功能块图)、SCL(结构化控制语言)、STL(语句列表)。
S7-1200只支持LAD、FBD和SCL三种编程语言，并且在下载过程中会先停止运行，然后下载程序，下载完成后重新启动。
1. 实现流程
病毒首先选择IP通过西门子通信端口102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。流程如下图所示。
2. 寻找目标
西门子PLC通过102端口进行TCP通信，因此可以尝试通过102端口与设备建立TCP通信来寻找目标。博途开发平台提供了两个FB块——通讯连接块TCON和断开通讯连接块TDISCON，如下图所示。
程序块TCON和TDISCON的参数说明
使用TCON和DISTCON块尝试建立和断开连接
如果TCON建立了连接则判断设备型号或者下载程序。由于TCON只需触发一次连接命令，就会一直尝试与目标建立连接，直到连接成功。因此，如果1s内没有建立连接则改变IP地址，尝试连接下一台PLC；如果建立了连接，则通过发送指令判断设备信号或者下载病毒程序，完成后改变IP地址，并尝试连接下一台设备。
更改IP
断开连接后则更改IP地址，准备连接下一台设备
3. 传播感染
连接建立后，病毒调用数据传送命令TSEND和数据接收命令TRCV进行传播。见下图
程序块TSEND和TRCV的参数说明
判断是否已感染
病毒在传播感染之前需要判断当前对象是否已经被感染，避免重复感染。判断是否被感染，如果感染，则跳过感染，如果未感染，则执行程序传送，感染对象。具体实现如下图：
建立连接认证
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。下图为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。
具体逻辑实现代码如下：
4. 激活
PLC执行顺序是从OB1开始，按顺序执行到OB9999的。
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。如下图所示。
在其他病毒块下载完成后，用OB9999（也可以用其他非系统自带的OB块，未了避免病毒的OB块与PLC中正常的OB块重复，建议块的序号尽量大些）启动病毒程序。
5. 恶意功能的实现——连接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。当C&C服务器向连接了C&C服务器的PLC发送指令后，PLC会解析命令并执行。以点灯程序为例说明其危害性。下图为C&C服务器点灯的解析部分：
6. 感染前后对比
博途软件提供了PLC程序在线与离线差异的检测功能，如下图所示。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。块为虚样式，表示博途的程序中没有此块，而PLC有。
演示截图
红灯表示PLC感染状态，绿灯表示PLC正常控制的终端运行状态，PLC使用的是西门子1200 V3版本，从左到右分别为PLC0，PLC1，PLC2。默认情况下，PLC1和PLC2离线的，当PLC0被感染后，PLC1和PLC2接入网络，随后PLC0就会感染PLC1和PLC2。
图1：PLC处于正常运行状态
图2：PLC0被感染病毒，反向联接C&C服务器
图3：PLC1与PLC2联网，PLC0正在感染PLC1
图4：PLC1被感染病毒，反向联接C&C服务器
图5：PLC2被感染病毒，反向联接C&C服务器
防护措施
1.部署控制设备管理系统，定期对PLC控制逻辑代码进行备份，一旦PLC被感染，可以迅速通过备份的PLC程序重置进行快速恢复。
2.设置CPU访问密码，禁止非授权用户上下载逻辑代码，密码一定不能是弱口令。
3.对工控网络进行风险评估，识别核心资产，根据不同安全级别进行安全分区，一旦受到网络攻击，将损失控制在最小的范围内。
4.在工控系统中安装工控监测审计系统，通过工控协议深度解析，根据特征值的进行采集、分析与识别，如发现异常数据包，如控制器启停、程序上下载，则记录日志或报警。
5.安全域边界安装工控防火墙，通过工控防火墙，对异常数据包进行检测以及隔离防护。
6.针对工控网络制定应急处理预案，当遇见突发网络攻击事件，可以实现快速恢复。
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