一個(gè)基于PLC的新型病毒：背景與病毒結(jié)構(gòu)

　　PLC是工業(yè)領(lǐng)域中很常用的一種控制器。現(xiàn)在常用的PLC都配備有以太網(wǎng)接口，并采用了IP協(xié)議。我們基于西門(mén)子S7-1200設(shè)計(jì)了一個(gè)蠕蟲(chóng)病毒，這種蠕蟲(chóng)病毒不需要借助PC機(jī)，僅僅基于PLC設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散，攻擊目標(biāo)并將自身進(jìn)行復(fù)制。該蠕蟲(chóng)病毒代碼在目標(biāo)機(jī)復(fù)制后不會(huì)發(fā)生變化，從而可以重復(fù)進(jìn)行目標(biāo)掃描，進(jìn)一步擴(kuò)散。我們分析了該蠕蟲(chóng)病毒的影響和預(yù)防措施。

　　1.概述

　　IT是現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)槿绻麤](méi)有IT系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程將無(wú)法進(jìn)行。不幸的事，由于引入了IT系統(tǒng)，工控系統(tǒng)的使用者也面臨著傳統(tǒng)IT系統(tǒng)的信息安全威脅。IT系統(tǒng)的黑客可以從幾個(gè)不同的角度威脅工控系統(tǒng)。他們可以引起生產(chǎn)中斷，造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，以及損壞周?chē)�人員的健康安全。震網(wǎng)病毒的案例充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。伊朗鈾濃縮工作受西門(mén)子PLC被篡改的影響，被迫暫停。蠕蟲(chóng)病毒利用windows的漏洞，在鈾濃縮工廠的PC之間傳播。PLC的軟件被篡改，使得離心機(jī)被毀。該蠕蟲(chóng)病毒需要借助PC機(jī)進(jìn)行傳播，并基于PC機(jī)攻擊PLC設(shè)備。本文演示了一種基于PLC設(shè)備進(jìn)行傳播的蠕蟲(chóng)病毒，而不需要PC機(jī)。這種病毒可能被在役的PLC傳播到工控系統(tǒng)中，并在PLC之間傳播和復(fù)制。該蠕蟲(chóng)病毒進(jìn)入目標(biāo)后，復(fù)制自身代碼并修改目標(biāo)PLC中已經(jīng)下載完畢的用戶代碼，使病毒激活。本文基于西門(mén)子S7-1200 v3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用結(jié)構(gòu)文本編輯病毒代碼。

　　2.相關(guān)工作

　　2015年，Klick等人利用PLC的通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)了一個(gè)代理，進(jìn)而展示了一種病毒。本文利用這一通信機(jī)制，基于新型號(hào)的S7-1200 V3實(shí)現(xiàn)了蠕蟲(chóng)病毒在PLC之間的傳播。

　　3.PLC結(jié)構(gòu)

圖1 Zyklus eines PLCs

　　PLC的過(guò)程映像區(qū)保存有所有輸入和輸出的狀態(tài)，用戶程序在過(guò)程映像區(qū)中運(yùn)行，不直接操作PLC的物理輸入和輸出接口。用戶程序按照循環(huán)周期運(yùn)行，在每個(gè)循環(huán)周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間CPU會(huì)刷新過(guò)程映像區(qū)，循環(huán)的 長(zhǎng)時(shí)間限制被稱作循環(huán)周期。如果超出了循環(huán)周期，PLC會(huì)停止運(yùn)行并報(bào)異常。

　　程序組織單元（Program Organization Units，POU），西門(mén)子S7-1200支持如下POU：

　　組織塊（Organization block，OB），進(jìn)入用戶程序的主要入口

　　數(shù)據(jù)塊（Data block，DB），全局存儲(chǔ)

　　函數(shù)（Function），函數(shù)

　　函數(shù)塊（Function Block，F(xiàn)B），具有持續(xù)本地存儲(chǔ)的函數(shù)

　　除了用戶定義POU函數(shù)，西門(mén)子還提供了幾種函數(shù)。包括TCON、TDISCON，利用這些函數(shù)PLC可以初始化和終止與任意系統(tǒng)之間的TCP連接。基于TRCV和TSEND函數(shù)緩沖區(qū)可以發(fā)送和接收函數(shù)。

　　4.計(jì)算機(jī)蠕蟲(chóng)病毒

　　蠕蟲(chóng)病毒攻擊包括以下三個(gè)階段：可能目標(biāo)檢測(cè)，向目標(biāo)擴(kuò)散，在目標(biāo)上激活并執(zhí)行惡意代碼。

　　5.S7 1200的蠕蟲(chóng)病毒實(shí)現(xiàn)

　　5.1結(jié)構(gòu)

　　在S7 1200PLC上實(shí)現(xiàn)蠕蟲(chóng)病毒首先要滿足PLC關(guān)于 大執(zhí)行的循環(huán)時(shí)間限制，所以蠕蟲(chóng)病毒必須每隔幾毫秒就暫停一次，然后在下一次循環(huán)周期開(kāi)始時(shí)重新啟動(dòng)。為了滿足這一要求，本文使用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)蠕蟲(chóng)病毒，將病毒的當(dāng)前狀態(tài)保存在一個(gè)全局變量中，每隔循環(huán)周期的開(kāi)始階段會(huì)調(diào)用病毒的特定代碼，確保病毒的運(yùn)行不會(huì)超出PLC的循環(huán)時(shí)間限制。

　　圖2顯示了病毒的執(zhí)行流程。蠕蟲(chóng)病毒首先與潛在目標(biāo)建立一個(gè)連接，建立連接后蠕蟲(chóng)病毒先檢測(cè)目標(biāo)是否已被感染，如果沒(méi)有被感染則停止目標(biāo)上的用戶程序，并復(fù)制自己并向目標(biāo)傳送自己的代碼，然后重新啟動(dòng)PLC。然后繼續(xù)檢測(cè)潛在目標(biāo)PLC，循環(huán)執(zhí)行上述周期。

圖2 蠕蟲(chóng)病毒的傳播過(guò)程

　　5.2目標(biāo)檢測(cè)

　　蠕蟲(chóng)通過(guò)TCP的102端口檢測(cè)潛在目標(biāo)，該端口只能被外部的防火墻關(guān)閉，而且沒(méi)有其他服務(wù)會(huì)使用該端口。

　　S7-1200使用POU的TCON函數(shù)管理TCP連接。源代碼如列表3所示，其中第3行顯示了POU的使用，第9行傳遞了一個(gè)任意的IP地址和端口。只要POU被調(diào)用，PLC就會(huì)嘗試建立連接。這一過(guò)程是異步執(zhí)行的。在稍后的循環(huán)周期中會(huì)驗(yàn)證連接狀態(tài)。返回值DONE表返回連接是否建立。如果返回值為true，則繼續(xù)傳播。如果IP地址和端口的連接無(wú)法建立，則不會(huì)引起錯(cuò)誤。通過(guò)在循環(huán)周期內(nèi)增加一個(gè)不斷增加的計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。

圖3 利用SCL檢測(cè)目標(biāo)

　　如果經(jīng)過(guò)200個(gè)周期沒(méi)有建立連接，則蠕蟲(chóng)會(huì)執(zhí)行圖4中的程序。如果沒(méi)有建立連接，則必須調(diào)用POU的TDISCON釋放資源以便建立下一個(gè)連接，如在第13行中所示，IP地址增加。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的子網(wǎng)進(jìn)行掃描以尋找開(kāi)放的204端口。