摘 要

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯器件）是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中的基礎(chǔ)控制設(shè)備，其安全性涉及到整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，隨著兩化融合的不斷加深以及工業(yè)4.0的推進(jìn)，工業(yè)控制系統(tǒng)在提高信息化水平的同時，其信息安全問題也日益突出。PLC遭受黑客攻擊的途徑也日益翻新，各種木馬和病毒變體數(shù)量不斷攀升，威脅工業(yè)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和人員生命財產(chǎn)安全。本文通過介紹常見的幾種PCL遭受攻擊的途徑，為工業(yè)控制系統(tǒng)安全敲響警鐘。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC在向著智能化的方向發(fā)展，接口數(shù)量和類型越來越多，功能也日益豐富。目前的PLC一般都是基于裁剪后的嵌入式系統(tǒng)，同時將原來位于串行鏈路上的通信協(xié)議轉(zhuǎn)移到TCP/IP之上，為黑客實(shí)施攻擊提供了便捷的途徑。

1、通過嵌入式系統(tǒng)漏洞實(shí)施攻擊

PLC采用的大多是經(jīng)過裁剪的實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），比如Linux RT、QNX、Lynx、VxWorks等。這些操作系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時性要求較高的領(lǐng)域中。但是其安全問題不容忽視。常見的PLC使用的操作系統(tǒng)如表1所示。

表1 常用PLC的操作系統(tǒng)

Beresford等[1]指出，Simatic PLC運(yùn)行在x86 Linux系統(tǒng)之上，那就意味著如果插入一段載荷，就可以對shell進(jìn)行爆破并連接到該設(shè)備。尤其需要注意的是PLC上運(yùn)行的所有程序都是以root權(quán)限運(yùn)行的，一旦被攻擊者攻入，后果非常嚴(yán)重。如圖1所示：

圖1 對shell系統(tǒng)的爆破

西門子、施耐德的多款PLC設(shè)備軟件搭載在VxWorks系統(tǒng)上運(yùn)行，wdbrpc是VxWorks的遠(yuǎn)程調(diào)試端口，以UDP方式進(jìn)行通信，端口號為17185。該協(xié)議基于sun-rpc，提供的服務(wù)主要用于支持系統(tǒng)遠(yuǎn)程通過集成開發(fā)環(huán)境Tornado交互（如圖2）。根據(jù)燈塔實(shí)驗(yàn)室公布的資料[2]，黑客可以通過wdbrpc協(xié)議dump全部內(nèi)存空間數(shù)據(jù)，找到內(nèi)存中的所有ftp、telnet登錄密碼，進(jìn)一步可以實(shí)現(xiàn)的攻擊有：篡改bootline繞過登錄驗(yàn)證、Dump內(nèi)存數(shù)據(jù)從中抓取登錄密碼等。通過攻擊嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)而控制PLC的正常運(yùn)行。

圖2 Tornado開發(fā)環(huán)境與VxWorks系統(tǒng)圖

2、通過PLC通信協(xié)議漏洞實(shí)施攻擊

一般常見工控協(xié)議中包含了大量的命令字，如讀取、寫入數(shù)據(jù)等，然而其中一部分高級或協(xié)議約定的自定義功能往往會給用戶安全帶來更多的威脅，如Modbus協(xié)議的從機(jī)診斷命令將會造成從機(jī)設(shè)備切換到偵聽模式、CIP協(xié)議某些命令字還能導(dǎo)致設(shè)備直接重啟、S7協(xié)議的STOP CPU功能將會導(dǎo)致PLC程序運(yùn)行停止，在大多數(shù)的情況下用戶在上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)時僅會使用協(xié)議的某些讀取數(shù)據(jù)功能和固定范圍、固定地址的寫數(shù)據(jù)功能，而協(xié)議棧上更多的功能則不會應(yīng)用于系統(tǒng)集成中。

   Langner等[3]指出不需要控制系統(tǒng)內(nèi)部知識，不需要編程技巧就可以實(shí)現(xiàn)一次攻擊。利用S7協(xié)議漏洞，注入代碼到組態(tài)OB1（相當(dāng)于main函數(shù)）之前，這樣PLC在每次掃描之前都會首先執(zhí)行惡意代碼，并可以通過調(diào)用BEC（block end condition）指令，隨時終止合法代碼的運(yùn)行。就Stuxnet而言，終止條件是基于時間和工業(yè)過程。

   Meixell等[4]指出，簡單的串口協(xié)議（比如Modbus 和DNP3）已經(jīng)被包含在IP數(shù)據(jù)報內(nèi)，攻擊者僅僅構(gòu)造一個基于IP的控制數(shù)據(jù)包并發(fā)送給PLC就可以造成嚴(yán)重的后果。以Modbus協(xié)議為例，其常用主要功能碼如下表2所示：利用功能碼0x05就可以將所有的寄存器置1，打開所有的閥門。

表2 Modbus數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及主要功能碼

Tzokatziou等[5]指出，由于PLC通信協(xié)議是明文傳輸，而且對于通信對象沒有認(rèn)證過程。因此攻擊者可以利用CoDeSys 系統(tǒng)，直接和PLC進(jìn)行連接，捕獲兩者之間的通信的數(shù)據(jù)包，然后直接給PLC發(fā)送篡改后的控制指令，達(dá)到任意啟停PLC的操作。

3、通過PLC軟件漏洞實(shí)施攻擊

PLC的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)控軟件和用戶組態(tài)軟件，前者用于監(jiān)視控制器本身的運(yùn)行，后者用于編寫用戶程序。以西門子（Siemens）PLC為例，STEP 7 編程軟件用于PLC的編程、參數(shù)設(shè)置和在線調(diào)試，而WinCC則主要用于過程監(jiān)視。

   典型的攻擊案例是2010年的“震網(wǎng)”病毒攻擊伊朗核電站事件[6]?！罢鹁W(wǎng)”病毒除了利用windows操作系統(tǒng)的4個0-day漏洞，還利用了西門子WinCC中的兩個漏洞（1）WinCC系統(tǒng)中存在一個硬編碼漏洞，保存了對訪問數(shù)據(jù)的默認(rèn)賬戶名和密碼，Stuxnet利用這一漏洞嘗試訪問該系統(tǒng)的SQL數(shù)據(jù)庫；（2）在WinCC需要使用的Step7工程中，打開工程文件時，存在DLL加載策略上的缺陷，從而導(dǎo)致一種類似于“DLL預(yù)加載攻擊”的利用方式。然后Stuxnet通過使用自身的s7otbxsx.dll替換Step7軟件中的s7otbxsx.dll，實(shí)現(xiàn)對一些查詢、讀取函數(shù)的額Hook。

   其他的攻擊途徑包括攻擊人機(jī)交互界面（HMI），使得操作員失去視圖。典型的攻擊案例是2015年的烏克蘭電網(wǎng)攻擊事件[7]。攻擊者取得工作站節(jié)點(diǎn)的控制權(quán)，獲取與操作員一致的操作界面和操作權(quán)限，通過遠(yuǎn)程控制對PLC進(jìn)行開關(guān)控制或改變運(yùn)行參數(shù)，從而引起電網(wǎng)故障或者斷點(diǎn)。燈塔實(shí)驗(yàn)室指出[8]，Unity Pro是施耐德系列PLC的編程軟件，Unity Pro 附帶的OSLoader軟件可以完成PLC的操作系統(tǒng)固件升級。OSLoader登錄設(shè)備后會嘗試遠(yuǎn)程讀取文件系統(tǒng)，這樣即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上傳下載，攻擊者可以通過替換固件的方式輕松讓PLC宕機(jī)。

4、通過PLC互連實(shí)施攻擊

當(dāng)前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)朝著“一網(wǎng)到底”的方向發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)橫向和縱向連接更加緊密：業(yè)務(wù)層可以直接訪問控制層的數(shù)據(jù)，甚至對設(shè)備進(jìn)行控制；同一層次內(nèi)的設(shè)備由于相互間的協(xié)作工作而聯(lián)結(jié)在一起。對于PLC而言，由于PLC主要用于過程控制，而生產(chǎn)流程往往由諸多控制過程組成，因此需要多個PLC協(xié)同工作，共同完成某項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)。

圖3 利用人機(jī)交互界面攻擊PLC過程

Radvanovsky等[9]指出，美國啟動的SHINE（SHodan Intelligence Extraction）項(xiàng)目是為了提取關(guān)于可以從互聯(lián)網(wǎng)訪問的SCADA和ICS設(shè)備的信息（尤其是PLC和RTU）。SHODAN搜索引擎是通過搜索常用的TCP/UDP端口來工作的，如表3：

表3 常用協(xié)議及端口對照表

Newman[10]指出，監(jiān)獄中控制室值班通過在線瀏覽圖片和電影引入病毒和蠕蟲。一些監(jiān)獄為犯人提供上網(wǎng)服務(wù)，雖然不和監(jiān)獄控制和監(jiān)視系統(tǒng)直接連接，但是也是一個可攻入的脆弱點(diǎn)。還要監(jiān)獄的巡邏車，使用的是無線信號，需要連接監(jiān)獄網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，也是一個攻擊入口。

Klick[11]在2015 USABlackHat上指出，PLC缺乏安全機(jī)制，通常可以上傳代碼到這些面向互聯(lián)網(wǎng)的PLC，利用這些PLC作為網(wǎng)關(guān)，滲透生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，甚至是公司IT網(wǎng)絡(luò)。Kclik利用PLC編程語言STL編寫端口掃描器和SOCKS代理，然后利用感染的PLC去掃描本地網(wǎng)絡(luò)，并將其作為網(wǎng)關(guān)，從而連接與其相連的其他PLC甚至滲透到公司業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示：

圖4 公司內(nèi)系統(tǒng)層級圖

McLaughlin[12]設(shè)計了一款針對PLC的惡意軟件，能夠生成動態(tài)數(shù)據(jù)包載荷，攻擊者使用這個工具，可以不用提前對控制系統(tǒng)有先驗(yàn)知識就可以實(shí)施攻擊，極大的降低了攻擊PLC的門檻。首先利用生成的載荷感染一個到多個主機(jī)，然后進(jìn)行工業(yè)過程分析，接著對二進(jìn)制文件進(jìn)行解碼，最后對生成的載荷進(jìn)行裁剪，上傳到PLC并運(yùn)行，具體過程如圖5所示：

圖5 動態(tài)生成惡意載荷過程

McLaughlin在另一篇文章[13]中開發(fā)了一種自動生成PLC載荷的工具—Sabot，自動識別PLC邏輯控制，并生成惡意的PLC代碼，具體過程如圖6所示：

圖6 Sabot攻擊過程示意圖

Spenneberg[14]等在2016 Asia BlackHat上西門子SIMATICA S7-1200為例，展示了一款專門在PLC上存活的蠕蟲。此蠕蟲不需要依賴于PC電腦去擴(kuò)散，僅僅活躍并運(yùn)行于PLC中，通過網(wǎng)絡(luò)掃描來發(fā)現(xiàn)新的目標(biāo)（PLC），然后攻擊這些目標(biāo)并將復(fù)制自身到新的PLC中，而且受感染的PLC主程序不會發(fā)生任何改變。從而可以做到目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，攜帶惡意載荷等攻擊手段。而且，清除這些蠕蟲非常困難，目前只能通過恢復(fù)出廠設(shè)置或者復(fù)寫蠕蟲所在的功能塊（Function Block）。感染過程如圖7所示：

圖7 蠕蟲感染PLC過程

代碼的執(zhí)行過程如圖8所示：

圖8 蠕蟲惡意代碼執(zhí)行過程

綜上所述，PLC的安全態(tài)勢不容樂觀，針對PLC的攻擊路徑比較多，而且攻擊層次在逐漸深入，要做好PLC的安全防護(hù)任重道遠(yuǎn)。