西门子PLC S7-1500缝隙分析与复现
颁布功夫 2020-04-23钻研布景
西门子PLC宽泛使用在各行业的工业节造系统上 ，好比钢铁、石油、化工、电力、建材、机械造作、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度民生安全。
2019 BlackHat USA会议上 ，安全钻研员Sara Bitan指出西门子PLC最新的通讯和谈S7Comm-Plus存在安全问题。为此 ，GA黄金甲ADLab对有关缝隙进行钻研 ，并在西门子S7-1500设备上复现了攻击成效。
西门子PLC和谈
西门子PLC蕴含S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200以及S7-1500等多个系列。S7-200/300/400系列PLC选取早期的西门子私有和谈S7comm进行通讯 ，S7-1200/1500系列PLC选取西门子S7Comm-Plus和谈进行通讯。
S7Comm-Plus和谈在S7comm基础上引入了密钥�；せ� ，以匹敌会话劫持、沉放攻击和中央人攻击等。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 ，职能码执行阶段。
图1 S7Comm-Plus和谈交互流程
密钥认证成功后方可进入职能码执行阶段 ，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蕴含 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中蕴含SecurityKeyEncryptedKey(图4中红色框所示)。其中 ，Magic字段为0xfee1dead ，长度180字节。SecurityKeyEncryptedKey里蕴含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。
四次握手认证实现后 ，TIA向PLC发送职能码数据包 ，职能码数据包中蕴含IntergrityPart字段 ，如图5所示。PLC收到职能码数据包后 ，首先校验IntergrityPart字段 ，若校验通过 ，执行相应职能码。
图5 stop职能码数据包
算法分析
固然主机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 ，因而依然存在安全问题 ，攻击者能够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进行犯法节造或者中央人攻击。
下面介绍密钥天生算法流程。
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)凭据PreKey推算KDF ，并由今天生CEK(Checksum Encryption Key) ，CS(Checksum Seed) ，KEK(Key Encryption Key)。
主机(TIA)将Challenge和KDK相结合 ，使用AES-CTR加密算法和KEK进行加密 ，其了局作为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),得到了局TB-HASH。
主机(TIA)使用AES-ECB算法和CEK来加密TB-HASH并得到了局Keying material 2(对应M3数据包中的EncryptedChecksum)。
图7 M3数据包结构
缝隙复现
我们对OMSp_core_managed.dll进行逆向分析 ，通过挪用关键接口函数 ，机关四次握手加密认证数据包。攻击端首先发送认证数据包 ，密钥认证实现后发送stop职能码 ，成功使得西门子PLC S7-1500终场运行。
正常运行时 ，PLC S7-1500运行批示灯为绿色。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运行批示灯变为黄色 ，PLC终场运行 ，PLC状态如图９所示。
图９ 攻击后PLC终场运行
安全建议
西门子官方已颁布安全补�。�
https://cert-portal.siemens.com/productcert/pdf/ssa-232418.pdf
https://cert-portal.siemens.com/productcert/pdf/ssa-273799.pdf
幼 结
在本次钻研中 ，我们分析了西门子S7系列最新的通讯和谈S7Comm-Plus。固然主机与PLC之间的通讯和谈选取了壮大的加密算法 ，但是PLC并没有对TIA进行认证 ，使得攻击者能够假装成一个恶意的TIA ，在其通讯过程中插入肆意指令 ，如PLC的启停指令 ，即可达到远程节造PLC的成效。除此之表 ，一样型号/固件版本的PLC ，其私钥齐全一样 ，这意味着同样的攻击步骤合用于所有一样的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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