CN111427305A - 针对西门子plc漏洞挖掘的方法 - Google Patents

Abstract

一种针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其基于西门子PLC的合法有效通信数据，分别针对特定数据段的Fuzzing测试方法，首先保证了生成的Fuzzing数据的各字段、协议头、包长度、数据块长度等的合法有效性，因此生成的数据发往目标PLC，PLC必然对数据进行解析和回应；固定选取一个或多个字段变异，极具针对性测试协议设计上在该字段是否存在缺陷，因此可以快速发现PLC的漏洞。本方法基于西门子PLC通信过程分析，不依赖于常用Fuzzing测试工具，无需进行固件逆向，有效避免了当前对通信协议进行模糊测试过程中的：数据随机生成丢包率高、针对性不强、覆盖性太低、漏洞发掘效果差的问题。

Description

针对西门子PLC漏洞挖掘的方法

技术领域

本发明涉及工业控制系统安全技术领域，具体涉及一种针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，尤其涉及一种主要用于发现PLC的拒绝服务类漏洞的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法。

背景技术

伴随着计算机和网络技术的飞速发展，信息化与工业化这样的“两化”加速融合，云计算、大数据、物联网等快速发展，以往神秘而封闭的工业控制系统快速走向公众，2010年发生“震网”病毒事件，让人们意识到工业控制系统的脆弱性，面临的安全威胁以及一旦被攻击带来的后果将是无法预估。各种病毒木马、APT攻击等威胁正在向工业控制系统扩散，工业控制系统信息安全问题日益突出。工业控制系统包含SCADA、PLC、DCS等，系统问题的根源主要是其存在的漏洞。据CNVD统计数据，自2007年以来，工业控制系统的漏洞呈逐年上升状态，2010年“震网”事件发生以后，工业控制系统漏洞更是呈爆炸性增长。

而现有技术的针对工业控制系统的漏洞挖掘方法存在如下缺陷：

1)当前漏洞挖掘的方式主要使用模糊测试工具，如SPIKE、Peach、Sulley等，之于PLC漏洞挖掘，以Peach工具为例，主要是开发peach pit配置文件，针对通信协议的漏洞挖掘，peach pit开发有复杂而严格语法要求，fuzzing测试的过程为Peach工具基于变异算法，生成大量随机数据包发送至被测PLC，由于数据是随机产生的，因此发送至PLC后大部分数据直接会被PLC丢包；另外，完成一个测试需要数十小时时长，最终难于发现一个有效漏洞。

2)逆向分析PLC固件亦是PLC漏洞挖掘的一个有效方法，固件通常包含一个完整的操作系统，包括系统内核，启动代码，文件系统，还有梯形图运行时系统之类的应用，web服务器，FTP服务器。由于西门子PLC有很好的保护机制，其固件为私有操作系统，公开渠道很难获取到某个型号PLC的固件，另外固件分析技术门槛较高，需要熟练掌握逆向工具使用、代码走读及分析、动态调试等方法，且需要花费大量的时间，因此漏洞挖掘的产出量非常低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，基于西门子PLC的合法有效通信数据，分别针对特定数据段的Fuzzing测试方法，解决了传统PLC漏洞挖掘中工具依赖、数据随机生成丢包率高、针对性不强、覆盖性太低、漏洞发掘效果差的问题。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种针对西门子PLC漏洞挖掘的方法的解决方案，具体如下：

一种针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，包括顺序依次执行的PLC通信场景搭建、PLC有效通信数据采集、流量分析、Fuzz脚本程序开发以及PLC异常监测。

所述针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，具体步骤如下：

步骤1：PLC通信场景搭建，所述PLC通信场景搭建包括：

安装一台win7x64上位机，与被测试的西门子PLC进行连通，确认上位机与被测试的西门子PLC通信正常；

步骤2：作为PLC有效通信数据采集的流量采集，所述流量采集包括：

在上位机中安装西门子组态软件TIA后，对被测试的西门子PLC进行简单编程；

步骤3：流量分析，所述流量分析包括：

打开wireshark抓包软件，加载针对西门子协议分析的专用插件，即西门子PLC通信协议插件s7comm对PLC工程下载过程的数据的流量数据包进行全面分析，识别作为通信数据的流量数据包中的协议头、功能码、参数、长度和数据这样的部分；

步骤4：Fuzz程序开发，所述Fuzz程序开发包括：

分析了上位机与被测试的西门子PLC的通信过程之后，掌握其数据交互的过程，开发程序对通信过程进行模拟，达到通过程序完成与被测试的西门子PLC通信效果；针对数据包中的某一帧数据，对应被测试的西门子PLC执行的一个特定操作，对数据中的协议字段进行变异，覆盖该字段数值所有可能存在的情况，构造成完成的数据包发送至被测试的西门子PLC；

步骤5：异常监测，所述异常监测包括：

在程序测试过程中，监测被测试的西门子PLC运行状态，当被测试的西门子PLC拒绝服务漏洞被触发后，被测试的西门子PLC进入异常状态，指示灯异常闪烁，程序自动测试被中断，此时可断定触发了PLC的拒绝服务漏洞。

所述安装一台win7x64上位机，包括：下载西门子TIA Portal软件，即博图软件并进行安装在该win7x64上位机上。

所述对被测试的西门子PLC进行简单编程，包括：

使用西门子TIA Portal软件编制一个简易的PLC工程，将简易的PLC工程文件下载至被测试的西门子PLC。

所述简易的PLC工程下载之前开启wireshark抓包软件，确保整个简易的PLC工程下载过程的数据被wireshark抓包软件完成采集。

所述Fuzz程序开发具体包括：

选取某种脚本语言作为Fuzz程序开发语言，编写程序与被测试的西门子PLC建立合法通信，截取通信中的数据包中的完整请求数据，该段数据为合法的、完整对被测试的西门子PLC的CPU的某个请求，该数据发往被测试的PLC后，被测试的PLC将进行解析与应答；识别到数据段中字节码包含了对CPU的某个请求，就可选取此字节码为需要进行Fuzz的为，从0x00只0xFF进行全部遍历，构造成响应数据包往被测试的西门子PLC发送，观察被测试的西门子PLC对数据解析应答后的状态。

本发明的有益效果为：

1.不依赖于常规的Fuzzing测试工具。

2.不用进行大量、复杂的程序设计和开发。

3.不用进行固件逆向，测试具有针对性，漏洞发掘效率高。

附图说明

图1是本发明的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法的流程图。

图2是本发明的PLC通信场景搭建的实例原理图。

图3是本发明的数据经过解析后的实例源码图。

具体实施方式

传统的针对PLC漏洞挖掘依赖于各Fuzzing工具框架，需要在掌握工具使用方法的基础上进行相应的程序开发，最终漏洞挖掘的成果取决于工具固有的算法和程序开发的质量，为解决工具依赖、随机产生数据将被丢包、Fuzzing测试时间长且漏洞发现率低，由此本发明提出了基于西门子PLC的合法有效通信数据，分别针对特定数据段的Fuzzing测试方法来解决。

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图1所示，针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，包括：

针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，包括顺序依次执行的PLC通信场景搭建、PLC有效通信数据采集、流量分析、Fuzz脚本程序开发以及PLC异常监测。

所述针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，具体步骤如下：

步骤1：PLC通信场景搭建，所述PLC通信场景搭建包括：

安装一台win7x64上位机，如图2所示，与被测试的西门子PLC进行连通，确认上位机与被测试的西门子PLC通信正常；作为测试目标的西门子PLC以西门子S7-300为例。

步骤2：作为PLC有效通信数据采集的流量采集，所述流量采集包括：

在上位机中安装西门子组态软件TIA后，对被测试的西门子PLC进行简单编程；

步骤3：流量分析，所述流量分析包括：

打开wireshark抓包软件，加载针对西门子协议分析的专用插件，即西门子PLC通信协议插件s7comm对PLC工程下载过程的数据的流量数据包进行全面分析，识别作为通信数据的流量数据包中的协议头、功能码、参数、长度和数据这样的部分；如图3所示，数据经过解析后，每个字段有不同的含义与功能，例如下图数据包中数据段部分44字节码中包含了被测试的西门子PLC的CPU操作功能。

步骤4：Fuzz程序开发，所述Fuzz程序开发包括：

分析了上位机与被测试的西门子PLC的通信过程之后，掌握其数据交互的过程，开发程序对通信过程进行模拟，达到通过程序完成与被测试的西门子PLC通信效果；针对数据包中的某一帧数据，对应被测试的西门子PLC执行的一个特定操作，对数据中的协议字段进行变异，覆盖该字段数值所有可能存在的情况，构造成完成的数据包发送至被测试的西门子PLC；

步骤5：异常监测，所述异常监测包括：

在程序测试过程中，监测被测试的西门子PLC运行状态，当被测试的西门子PLC拒绝服务漏洞被触发后，被测试的西门子PLC进入异常状态，指示灯异常闪烁，程序自动测试被中断，此时可断定触发了PLC的拒绝服务漏洞。由于Fuzz数据经过精心挑选，程序执行速度快，花费时间少效率高，当被测试的西门子PLC进入异常状态，程序执行亦被停止在发送的特定数据包位置，因此可以快速定位触发被测试的西门子PLC的漏洞的数据包。此时可将被测试的西门子PLC恢复正常后，单独发送此特定数据包，来确认、复现是否能稳定触发被测试的西门子PLC的拒绝服务漏洞。

所述安装一台win7x64上位机，包括：下载西门子TIA Portal软件，即博图软件并进行安装在该win7x64上位机上。

所述对被测试的西门子PLC进行简单编程，包括：

使用西门子TIA Portal软件编制一个简易的PLC工程，将简易的PLC工程文件下载至被测试的西门子PLC。

所述简易的PLC工程下载之前开启wireshark抓包软件，确保整个简易的PLC工程下载过程的数据被wireshark抓包软件完成采集。

所述Fuzz程序开发具体包括：

选取某种脚本语言作为Fuzz程序开发语言，编写程序与被测试的西门子PLC建立合法通信，截取通信中的数据包中的完整请求数据，以图3为例，可将第17帧数据部分进行截取，该段数据为合法的、完整对被测试的西门子PLC的CPU的某个请求，该数据发往被测试的PLC后，被测试的PLC将进行解析与应答；识别到数据段中字节码44包含了对CPU的某个请求，因此就可选取此字节码为需要进行Fuzz的为，从0x00只0xFF进行全部遍历，构造成响应数据包往被测试的西门子PLC发送，观察被测试的西门子PLC对数据解析应答后的状态。

这样基于西门子PLC的合法有效通信数据，分别针对特定数据段的Fuzzing测试方法，首先保证了生成的Fuzzing数据的各字段、协议头、包长度、数据块长度等的合法有效性，因此生成的数据发往目标PLC，PLC必然对数据进行解析和回应；固定选取一个或多个字段变异，极具针对性测试协议设计上在该字段是否存在缺陷，因此可以快速发现PLC的漏洞。

本方法基于西门子PLC通信过程分析，不依赖于常用Fuzzing测试工具，无需进行固件逆向，有效避免了当前对通信协议进行模糊测试过程中的：数据随机生成丢包率高、针对性不强、覆盖性太低、漏洞发掘效果差的问题。

以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。

Claims (6)

1.一种针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其特征在于，包括：

顺序依次执行的PLC通信场景搭建、PLC有效通信数据采集、流量分析、Fuzz脚本程序开发以及PLC异常监测。

2.根据权利要求1所述的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其特征在于，所述针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，具体步骤如下：

步骤1：PLC通信场景搭建，所述PLC通信场景搭建包括：

安装一台win7x64上位机，与被测试的西门子PLC进行连通，确认上位机与被测试的西门子PLC通信正常；

步骤2：作为PLC有效通信数据采集的流量采集，所述流量采集包括：

在上位机中安装西门子组态软件TIA后，对被测试的西门子PLC进行简单编程；

步骤3：流量分析，所述流量分析包括：

打开wireshark抓包软件，加载针对西门子协议分析的专用插件，即西门子PLC通信协议插件s7comm对PLC工程下载过程的数据的流量数据包进行全面分析，识别作为通信数据的流量数据包中的协议头、功能码、参数、长度和数据这样的部分；

步骤4：Fuzz程序开发，所述Fuzz程序开发包括：

分析了上位机与被测试的西门子PLC的通信过程之后，掌握其数据交互的过程，开发程序对通信过程进行模拟，达到通过程序完成与被测试的西门子PLC通信效果；针对数据包中的某一帧数据，对应被测试的西门子PLC执行的一个特定操作，对数据中的协议字段进行变异，覆盖该字段数值所有可能存在的情况，构造成完成的数据包发送至被测试的西门子PLC；

步骤5：异常监测，所述异常监测包括：

在程序测试过程中，监测被测试的西门子PLC运行状态，当被测试的西门子PLC拒绝服务漏洞被触发后，被测试的西门子PLC进入异常状态，指示灯异常闪烁，程序自动测试被中断，此时可断定触发了PLC的拒绝服务漏洞。

3.根据权利要求2所述的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其特征在于，所述安装一台win7x64上位机，包括：下载西门子TIA Portal软件，即博图软件并进行安装在该win7x64上位机上。

4.根据权利要求2所述的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其特征在于，所述对被测试的西门子PLC进行简单编程，包括：

使用西门子TIA Portal软件编制一个简易的PLC工程，将简易的PLC工程文件下载至被测试的西门子PLC。

5.根据权利要求4所述的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其特征在于，所述简易的PLC工程下载之前开启wireshark抓包软件，确保整个简易的PLC工程下载过程的数据被wireshark抓包软件完成采集。

6.根据权利要求4所述的针对西门子PLC漏洞挖掘的方法，其特征在于，所述Fuzz程序开发具体包括：

选取某种脚本语言作为Fuzz程序开发语言，编写程序与被测试的西门子PLC建立合法通信，截取通信中的数据包中的完整请求数据，该段数据为合法的、完整对被测试的西门子PLC的CPU的某个请求，该数据发往被测试的PLC后，被测试的PLC将进行解析与应答；识别到数据段中字节码包含了对CPU的某个请求，就可选取此字节码为需要进行Fuzz的为，从0x00只0xFF进行全部遍历，构造成响应数据包往被测试的西门子PLC发送，观察被测试的西门子PLC对数据解析应答后的状态。

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