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 ，优发国际网站官网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� ，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相团结 ，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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