1. 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。

2. 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

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

3)  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

4)  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

3. 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

l  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)。

l  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)。

l  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)。

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

l  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

4.  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：

演示视频

5. 安全建议

西门子官方已发布安全补丁：

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

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

6. 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。

7.  参考文献

[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