摘 要

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯器件）是關鍵基礎設施中的基礎控制設備，其安全性涉及到整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是，隨著兩化融合的不斷加深以及工業(yè)4.0的推進，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)定運行和人員生命財產安全。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。

隨著技術的不斷進步，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)議轉移到TCP/IP之上，為黑客實施攻擊提供了便捷的途徑。

1、通過嵌入式系統(tǒng)漏洞實施攻擊

PLC采用的大多是經過裁剪的實時操作系統(tǒng)（RTOS），比如Linux RT、QNX、Lynx、VxWorks等。這些操作系統(tǒng)廣泛的應用于通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求較高的領域中。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進行爆破并連接到該設備。尤其需要注意的是PLC上運行的所有程序都是以root權限運行的，一旦被攻擊者攻入，后果非常嚴重。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設備軟件搭載在VxWorks系統(tǒng)上運行，wdbrpc是VxWorks的遠程調試端口，以UDP方式進行通信，端口號為17185。該協(xié)議基于sun-rpc，提供的服務主要用于支持系統(tǒng)遠程通過集成開發(fā)環(huán)境Tornado交互（如圖2）。根據(jù)燈塔實驗室公布的資料[2]，黑客可以通過wdbrpc協(xié)議dump全部內存空間數(shù)據(jù)，找到內存中的所有ftp、telnet登錄密碼，進一步可以實現(xiàn)的攻擊有：篡改bootline繞過登錄驗證、Dump內存數(shù)據(jù)從中抓取登錄密碼等。通過攻擊嵌入式實時操作系統(tǒng)進而控制PLC的正常運行。

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)議的從機診斷命令將會造成從機設備切換到偵聽模式、CIP協(xié)議某些命令字還能導致設備直接重啟、S7協(xié)議的STOP CPU功能將會導致PLC程序運行停止，在大多數(shù)的情況下用戶在上位機進行組態(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用于系統(tǒng)集成中。

   Langner等[3]指出不需要控制系統(tǒng)內部知識，不需要編程技巧就可以實現(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，并可以通過調用BEC（block end condition）指令，隨時終止合法代碼的運行。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）已經被包含在IP數(shù)據(jù)報內，攻擊者僅僅構造一個基于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)包結構及主要功能碼

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證過程。因此攻擊者可以利用CoDeSys 系統(tǒng)，直接和PLC進行連接，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，達到任意啟停PLC的操作。

3、通過PLC軟件漏洞實施攻擊

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)設置和在線調試，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”病毒攻擊伊朗核電站事件[6]。“震網”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，從而導致一種類似于“DLL預加載攻擊”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年的烏克蘭電網攻擊事件[7]。攻擊者取得工作站節(jié)點的控制權，獲取與操作員一致的操作界面和操作權限，通過遠程控制對PLC進行開關控制或改變運行參數(shù)，從而引起電網故障或者斷點。燈塔實驗室指出[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登錄設備后會嘗試遠程讀取文件系統(tǒng)，這樣即可實現(xiàn)遠程上傳下載，攻擊者可以通過替換固件的方式輕松讓PLC宕機。

4、通過PLC互連實施攻擊

當前的工業(yè)控制網絡朝著“一網到底”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)務層可以直接訪問控制層的數(shù)據(jù)，甚至對設備進行控制；同一層次內的設備由于相互間的協(xié)作工作而聯(lián)結在一起。對于PLC而言，由于PLC主要用于過程控制，而生產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，共同完成某項生產任務。

圖3 利用人機交互界面攻擊PLC過程

Radvanovsky等[9]指出，美國啟動的SHINE（SHodan Intelligence Extraction）項目是為了提取關于可以從互聯(lián)網訪問的SCADA和ICS設備的信息（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)獄為犯人提供上網服務，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。還要監(jiān)獄的巡邏車，使用的是無線信號，需要連接監(jiān)獄網絡上傳數(shù)據(jù)，也是一個攻擊入口。

Klick[11]在2015 USABlackHat上指出，PLC缺乏安全機制，通常可以上傳代碼到這些面向互聯(lián)網的PLC，利用這些PLC作為網關，滲透生產網絡，甚至是公司IT網絡。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去掃描本地網絡，并將其作為網關，從而連接與其相連的其他PLC甚至滲透到公司業(yè)務網絡，如圖4所示：

圖4 公司內系統(tǒng)層級圖

McLaughlin[12]設計了一款針對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)有先驗知識就可以實施攻擊，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，然后進行工業(yè)過程分析，接著對二進制文件進行解碼，最后對生成的載荷進行裁剪，上傳到PLC并運行，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電腦去擴散，僅僅活躍并運行于PLC中，通過網絡掃描來發(fā)現(xiàn)新的目標（PLC），然后攻擊這些目標并將復制自身到新的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，目前只能通過恢復出廠設置或者復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的安全防護任重道遠。