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，宝运莱官方网站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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