作者:启明星辰ADLab
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研究背景

西门子PLC广泛运用在各行业的工业控制系统上,比如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等行业,其安全性直接关乎国家民生安全。

2019 BlackHat USA会议上,安全研究员Sara Bitan指出西门子PLC最新的通信协议S7Comm-Plus存在安全问题。为此,启明星辰ADLab对相关漏洞进行研究,并在西门子S7-1500设备上复现了攻击效果。

西门子PLC协议

西门子PLC包括S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200以及S7-1500等多个系列。S7-200/300/400系列PLC采用早期的西门子私有协议S7comm进行通信,S7-1200/1500系列PLC采用西门子S7Comm-Plus协议进行通信。

S7Comm-Plus协议在S7comm基础上引入了密钥保护机制,以对抗会话劫持、重放攻击和中间人攻击等。TIA与PLC交互过程可分为以下4个阶段:

  1. TCP Connection

  2. COTP Connection

  3. S7Comm-Plus Connection,即四次握手密钥认证阶段

  4. S7Comm-Plus Function,功能码执行阶段

图1 S7Comm-Plus协议交互流程

密钥认证成功后方可进入功能码执行阶段,图2为四次握手认证具体流程。

图2 四次握手认证

  • TIA向PLC发送M1开启一个新的会话;

  • PLC将返回给TIA一个响应包M2,M2包含 PLC固件版本和随机数ServerSessionChallenge,长度20个字节;

图3 M2认证数据包

  • TIA收到M2后,将向PLC发送M3,M3中包含SecurityKeyEncryptedKey(图4中红色框所示)。其中,Magic字段为0xfee1dead,长度180字节。SecurityKeyEncryptedKey里包含3个关键的加密字段(图4中蓝色框所示)。

图4 M3认证数据包

  • PLC收到M3后,进行密钥认证。若认证成功,向TIA回复M4数据包。

四次握手认证完成后,TIA向PLC发送功能码数据包,功能码数据包中包含IntergrityPart字段,如图5所示。PLC收到功能码数据包后,首先校验IntergrityPart字段,若校验通过,执行相应功能码。

图5 stop功能码数据包

算法分析

虽然主机TIA与PLC之间的认证引入了非对称加密算法,但是PLC与主机之间并没有进行绑定,因此仍然存在安全问题,攻击者可以伪造成一个恶意的主机/工作站,利用已知的公钥及加密算法,对PLC进行非法控制或者中间人攻击。

下面介绍密钥生成算法流程。

图6 密钥生成算法

  • 主机(TIA)随机生成20字节的PreKey,使用类椭圆曲线加密算法和公钥加密PreKey,作为Keying materaial 1(对应图7中M3数据包的EG1、EG2)。

  • 主机(TIA)根据PreKey计算KDF,并由此生成CEK(Checksum Encryption Key),CS(Checksum Seed),KEK(Key Encryption Key)。

  • 主机(TIA)将Challenge和KDK相结合,使用AES-CTR加密算法和KEK进行加密,其结果作为Keying material 3(对应M3数据包中的EncryptedChallenge和EncryptedKDK)。

  • 主机(TIA)用CS和Keying material 3进行哈希运算(Tabulation Hash),得到结果TB-HASH。

  • 主机(TIA)使用AES-ECB算法和CEK来加密TB-HASH并得到结果Keying material 2(对应M3数据包中的EncryptedChecksum)。

图7 M3数据包结构

漏洞复现

我们对OMSp_core_managed.dll进行逆向分析,通过调用关键接口函数,构造四次握手加密认证数据包。攻击端首先发送认证数据包,密钥认证完成后发送stop功能码,成功使得西门子PLC S7-1500停止运行。

正常运行时,PLC S7-1500运行指示灯为绿色。运行状态如图8所示。

图8 攻击前PLC正常运行

发送攻击脚本后,PLC S7-1500运行指示灯变为黄色,PLC停止运行,PLC状态如图9所示。

图9 攻击后PLC停止运行

攻击演示视频如下所示:

安全建议

西门子官方已发布安全补丁:

  1. https://cert-portal.siemens.com/productcert/pdf/ssa-232418.pdf

  2. https://cert-portal.siemens.com/productcert/pdf/ssa-273799.pdf

小 结

在本次研究中,我们分析了西门子S7系列最新的通信协议S7Comm-Plus。虽然主机与PLC之间的通信协议采用了强大的加密算法,但是PLC并没有对TIA进行认证,使得攻击者可以伪装成一个恶意的TIA,在其通信过程中插入任意指令,如PLC的启停指令,即可达到远程控制PLC的效果。除此之外,相同型号/固件版本的PLC,其私钥完全相同,这意味着同样的攻击方法适用于所有相同的PLC。

参考链接

  1. https://i.blackhat.com/USA-19/Thursday/us-19-Bitan-Rogue7-Rogue-Engineering-Station-Attacks-On-S7-Simatic-PLCs.pdf

  2. https://i.blackhat.com/USA-19/Thursday/us-19-Bitan-Rogue7-Rogue-Engineering-Station-Attacks-On-S7-Simatic-PLCs-wp.pdf

  3. https://www.secshi.com/30290.html


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