西门子PLC S7-1500误差剖析与复现
宣布时间 2020-04-23研究配景
西门子PLC普遍运用在各行业的工业控制系统上， ，，，好比钢铁、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， ，，，其清静性直接关乎国家民生清静。。
2019 BlackHat USA聚会上， ，，，清静研究员Sara Bitan指出西门子PLC最新的通讯协议S7Comm-Plus保存清静问题。。为此， ，，，凯旋国际游戏ADLab对相关误差举行研究， ，，，并在西门子S7-1500装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接纳早期的西门子私有协议S7comm举行通讯， ，，，S7-1200/1500系列PLC接纳西门子S7Comm-Plus协议举行通讯。。
S7Comm-Plus协议在S7comm基础上引入了密钥�；；せ疲� ，，，以对抗会话挟制、重放攻击和中心人攻击等。。TIA与PLC交互历程可分为以下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， ，，，功效码执行阶段。。
图1 S7Comm-Plus协议交互流程
密钥认证乐成后方可进入功效码执行阶段， ，，，图2为四次握手认证详细流程。。
图2 四次握手认证
（1）TIA向PLC发送M1开启一个新的会话。。
（2）PLC将返回给TIA一个响应包M2， ，，，M2包括 PLC固件版本和随机数ServerSessionChallenge， ，，，长度20个字节。。
图3 M2认证数据包
（3）TIA收到M2后， ，，，将向PLC发送M3， ，，，M3中包括SecurityKeyEncryptedKey(图4中红色框所示)。。其中， ，，，Magic字段为0xfee1dead， ，，，长度180字节。。SecurityKeyEncryptedKey里包括3个要害的加密字段(图4中蓝色框所示)。。
图4 M3认证数据包
（4）PLC收到M3后， ，，，举行密钥认证。。若认证乐成， ，，，向TIA回复M4数据包。。
四次握手认证完成后， ，，，TIA向PLC发送功效码数据包， ，，，功效码数据包中包括IntergrityPart字段， ，，，如图5所示。。PLC收到功效码数据包后， ，，，首先校验IntergrityPart字段， ，，，若校验通过， ，，，执行响应功效码。。
图5 stop功效码数据包
算法剖析
虽然主机TIA与PLC之间的认证引入了非对称加密算法， ，，，可是PLC与主机之间并没有举行绑定， ，，，因此仍然保存清静问题， ，，，攻击者可以伪造成一个恶意的主机/事情站， ，，，使用已知的公钥及加密算法， ，，，对PLC举行不法控制或者中心人攻击。。
下面先容密钥天生算法流程。。
图6 密钥天生算法
主机(TIA)随机天生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)凭证PreKey盘算KDF， ，，，并由今天生CEK(Checksum Encryption Key)， ，，，CS(Checksum Seed)， ，，，KEK(Key Encryption Key)。。
主机(TIA)将Challenge和KDK相连系， ，，，使用AES-CTR加密算法和KEK举行加密， ，，，其效果作为Keying material 3(对应M3数据包中的EncryptedChallenge和EncryptedKDK)。。
主机(TIA)用CS和Keying material 3举行哈希运算(Tabulation Hash),获得效果TB-HASH。。
主机(TIA)使用AES-ECB算法和CEK来加密TB-HASH并获得效果Keying material 2(对应M3数据包中的EncryptedChecksum)。。
图7 M3数据包结构
误差复现
我们对OMSp_core_managed.dll举行逆向剖析， ，，，通过挪用要害接口函数， ，，，结构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功效码， ，，，乐成使得西门子PLC S7-1500阻止运行。。
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
发送攻击剧本后， ，，，PLC S7-1500运行指示灯变为黄色， ，，，PLC阻止运行， ，，，PLC状态如图９所示。。
图９ 攻击后PLC阻止运行
清静建议
西门子官方已宣布清静补�。。�
https://cert-portal.siemens.com/productcert/pdf/ssa-232418.pdf
https://cert-portal.siemens.com/productcert/pdf/ssa-273799.pdf
小 结
在本次研究中， ，，，我们剖析了西门子S7系列最新的通讯协议S7Comm-Plus。。虽然主机与PLC之间的通讯协议接纳了强盛的加密算法， ，，，可是PLC并没有对TIA举行认证， ，，，使得攻击者可以伪装成一个恶意的TIA， ，，，在其通讯历程中插入恣意指令， ，，，如PLC的启停指令， ，，，即可抵达远程控制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要领适用于所有相同的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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