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，，，凯发k8ADLab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。。。。。。。


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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。。。。。。。


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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。。。。。。。


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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)。。。。。。。


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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。。。。。。。


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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。。。。。。。


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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)。。。。。。。


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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。。。。。。。


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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。。。。。。。


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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丁�。。。。。。�


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