2019 SDC 議題回顧 | 工業集散控制系統的脆弱性分析

作為工控系統種類之一，集散控制系統（DCS）多用於控制關鍵基礎措施，分佈在石油、化工、冶金、水泥、水系統中，是工藝操作人員的“大腦”。其重要性更是不言而喻。

上世紀70年代中期，出現了以微處理器為基礎的分散式控制系統，經過30多年的發展，DCS已經綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術，在功能日益健全的同時也面臨著越來越多的安全風險。

下面就讓我們來回顧看雪2019安全開發者峰會上《工業集散控制系統的脆弱性分析》的精彩內容。

編輯按

crownless：在工業生產進入資訊化、數字化時代後，其安全問題越來越受到人們的重視。如果系統被入侵，不僅可能造成生產被迫停止，甚至還可能產生爆炸等事故。工控安全在技術上難度較低，但反而很脆弱。這就要求我們投入更多的資源在工控安全上。

嘉賓介紹

劍思庭，復旦大學軟體工程碩士，暗影安全團隊工控安全高階研究員，中國自動化協會常任理事，Kcon 2018講師，開發Ethernet/IP協議裝置嗅探工具。

大會上講師為大家介紹了工業集散系統架構、工業網拓撲以及脆弱性分析，為大家開啟了風控領域的新視野。

演講具體內容

以下為速記全文：

大家好！我現在就職於工業自動化廠商側，來負責工控滲透及防禦工作，也承擔了暗影安全、破曉安全和米斯特安全的工控研究。

接下來我給大家分享的題目是“工業集散系統的脆弱性分析”。

在工控系統裡有很多種類，除了PLC還有一個大種類是DCS工業集散控制系統，它和PLC在架構和應用上的區別，這種領域裡存在哪些脆弱性而帶來系統不穩定的狀態呢？接下來和大家簡單分享。

使用者方使用一套這樣DCS的系統，使用者透過非授權的USB的使用，這個USB的使用是由業主供應商帶過來的，不慎把它的上位機感染了wannacry變種，造成了它的上位機藍色畫面，使用者找到我們團隊幫助它解決病毒的問題。

透過這個引發了什麼事情？我們做完HMI的防護後，讓我們幫助檢查除此之外工業控制網路DCS系統有沒有相應脆弱性，基於此就產生了今天的這個議題。

大家看到的結構就是我們經常會碰到的DCS的標準架構，下一側灰顏色的地方就是所謂控制器，在DCS裡它叫“單元控制器”，它是控制什麼？它是控制化工、石油以及水行業裡的閥門和感測器。

自動化設計的初衷是代替手動製造，不需要人為參與工業生產，它就是幹這個的，它有不同種類的控制器。再往上一層，透過乙太網的形式是它的監控系統。

大家可以看到那個控制器是一個盒子一樣的東西，它透過訊號線連線了外側的感測器和執行器，作為總控室操作人員，如何能夠第一時間知道現場狀態，透過什麼樣的互動介面呢？將透過上面這一層，我們叫監控系統。

再往上一層就是所謂的管理系統，在管理系統裡會提取你監控的資訊以及管理資訊，綜合起來再去分析你的生產狀況。下面那層只是純監控、監視和控制，上面那層會有分析。這是標準的DCS系統。

它和PLC工控系統有什麼區別？PLC是以下面灰顏色控制器為主，上面的監控軟體和下面的控制器可以是兩個不同的廠商、可以是兩個不同的軟體，甚至可以是一個PLC上面掛一個開發的應用軟體，但是DCS裡永遠不會出現這樣的情況，DCS都是一個廠商，而且走的協議也是私有協議。

我們測試的主要是紅框這個地方，這個地方是安全儀表系統，比如我假設一個場景，因為大家可能都不是在做製造業的，很難在腦中復現這個畫面。

舉個例子，大家都開車，車裡的汽油是怎麼產生的？由三大油廠商把地下石油提煉出來，經過練化、裂解才變成我們使用的石油，過程中它會經過高度加溫，經過離心高速旋轉，但是這兩項行為是很危險的。

紅顏色的系統是什麼意思？比如它設定一個溫度超高比如1200度如何，如果罐裡液體少於10%又如何，離心超快達到幾萬轉又如何，它為了保證安全性會設立這個控制器，一旦超出設立指標馬上停止，以確保裝置安全和人的安全。

這是傳統資訊保安和工業安全的本質區別，傳統資訊其他更多保護的是知識資產、資訊資產，但是工控安全不是這樣的，資訊資產也很多，但是更重要的是人和裝置。

我們曾經出現過一件事情，大家都知道鍋爐，北方冬季取暖都用到暖器，暖器是由供熱公司送過來的，它有一個專門產生蒸氣的鍋爐把蒸氣送過來，如果水在鍋爐液位超低的話，再燒就會炸了，這個控制器就是確保水不能燒乾了。

就像大家在家裡燒水一樣。在鍋爐系統裡，一旦水燒乾了，鍋爐就會被炸掉，因為裡面的熱氣沒有辦法被釋放出來。這個控制器就是確保裝置和人身的安全。

這個場景有幾部分組成？有2臺思科2960二層交換機組成它的網路結構，另外有兩臺DCS控制器，另外有兩臺server裡面執行server2003，還有4臺client，XPSP3的，為什麼我把這側面標灰了，是因為我們要去打補丁和安全防護的，客戶讓我們測試的裡面不包括這兩臺裝置，另外，我們使用1臺kali機器。

這個圖就是網路架構，中間兩臺是2960交換機，下面2臺是冗餘控制器，上面兩臺是server是2003，還有4臺client。每臺機器上都有兩條線，一個黃的，一個綠的，它是保證單網路不要出現中斷的情況，雙網下來。

但是它為了保證網路冗餘性，它不僅僅保證雙網，還保證瞭如果交換機壞掉也不影響使用。這裡它就構成了STP，生成數的這樣一個環境。

仔細去看，會發現這裡是有環的，如何確保沒有環，這是DCS廠商自己解決在通訊上的問題，既保證鏈路是冗餘的，又要保證不要形成環路。就像一個小區一樣，路由很多，怎麼確保不要打轉呢，這由廠商去解決。

每臺計算機後面的介面都是這樣的，一塊網路卡上有兩個口。廠商把它做成了橋接模式，傳統來講這應該是2個不同的網段，但把它做成了同一網段，這種模式下它就形成了環。

如何破解這個環路，不讓它對環路形成干擾？廠商自己開發了二層的容錯乙太網協議，這個協議10年前就開發出來了，是非常優秀的乙太網冗餘的協議。

左側圖是把兩口的網路卡協議層時加了自己的驅動軟體，把它做成了橋接，橋接這個模式時又遮蔽了STP可形成環的檢測，這是它做得很高明的地方。同時，它在這裡面開通路由功能。

再往上是協議層，它要跑自己的工業協議，這裡面跑的什麼協議從後面可以看到。這張圖是一個基於二層高可靠性的網路，另外的圖片是每一個節點狀態是不是正常的，到任何一個節點都有4條鏈路可以走，任何一條鏈路壞掉都沒有影響，但同時它只走了1條鏈路。

大家可以看下面的圖，雖然它有4條，最後會把2條堵上，哪條最優是它自己做計算的。

我們團隊接到滲透任務這個時候首先看到的是2960交換機，首先去看能不能找到和2960以及這個廠商相關的資訊。我們找到了這個廠商的配置檔案，標紅的地方是什麼意思？它不讓你在DCS網路裡形成環，並啟用MSTP協議，保證只有單鏈的通訊，同時又可以實現多路徑的冗餘。

在此基礎上，STP有什麼特點？它是為破解環路而設計的一個網路。STP有一種沒有使用的狀態，第二種是轉發的狀態，第三種是把這個關口關閉掉，為了防止形成環路，還有一種是在學習，還有一種是在監聽，這5個狀態是在迴圈的，交換機的這個埠的狀態是這樣的迴圈。

每一個狀態的切換都需要5-15秒，這5-15秒之間是不做任何資料轉發的，也就是說資料是中斷的。另外一個圖，當形成三角、形成環路時，它會把埠阻塞掉，雖然外形很像環性，但其實它是line形。

我們採用什麼工具去做這個破壞性實驗？我們嘗試一下，如果我們對這個STP做攻擊會有什麼結果。我們採用了一個工具，這個工具是專門攻擊工業乙太網二層協議的工具，大家使kali 2007版以前的都有這個工具。

我們當時選擇了BPDU連續傳送，什麼意思？在剛才看到的3臺交換機裡形成環網時，永遠有一個管理者來決定哪個埠是關閉的、哪個埠是開放的。怎麼選擇這個管理者？就是我想如果、地址最低的那個裝置視為管理者。

我們就模仿了一下，如果我們對這個交換機發大量mac地址肯定有地址比你低，會不會造成它的鏈路震盪？這個影片是我們做的，DCS系統上位機，可以看到攻擊狀態，它輸入使用者名稱和密碼，輸入進去之後我們選擇線上監控圖，這張圖是客戶線上的生產狀態，我切到這個系統裡，針對那臺2960 mac地址做一次hack，目標mac一定是交換機的我想如果、不是埠mac，因為它是二層的，埠上沒有mac。

我們先發一個BPDU一次震盪，告訴它會產生震盪，這時它開始學習了，然後我們發個連續讓它震盪不停，mac地址在狂傳送。這時我們切換到平臺上，這時畫面還是有的，但是資料已經不重新整理了，畫面為什麼還有？它有一個和自己控制器重連的時間，這個重連時間有3次裡面定義的時間，現在看來所有的都還是可以的。

這時資料已經不重新整理了，我們再想回到介面時發現它已經報錯了，“timeout”控制器已經全部斷開連線了。這是我們的一個演示，造成DCS上位系統和它的控制器連線斷開了。

DCS有個最大的不同，一旦上位機斷開，下面的控制器裝置自動進入保護狀態，不會自己持續，間接把控制器做成了hold的狀態，所有埠都會保持上一時間的狀態，不再做任何變化。

另外，當我們發現這個之後，嘗試想看到控制器跑了什麼協議，我們採取了什麼辦法？大家有沒有人知道CVE-2018-0171，是一個安全團隊發現思科的漏洞，也就是說在4786埠上如果發一個畸形資料包時會把交換機打死，甚至會拿到root許可權。

我們之所以用這個CVE打這個交換機，是想做個埠映象，把上位機到控制器的流量引出來。因為交換機不像集線器，它不是全埠轉發，你根本看不到它們倆的流量。

這段是我們的攻擊程式碼，最下面的一個是傳送了，在tv1和tv2那兩個地方如果裝了特殊字元就會引起2960交換機直接當機了。當時我們是想能夠獲得root，但是沒有成功，很不幸直接把交換機打死了。

而且客戶當時只給我們1天時間，沒有辦法再修改程式碼去找到錯誤的地方獲取root。我們採取了另外一個比較粗暴的方式，就是Mac泛洪，2960交換機的mac地址表大概是4K，我們測試只要超過了4K多之後，它就會變成一個hub。

因為它自己找不到那些需要做轉發的埠，因為mac地址表，哪個埠對應哪個，會把原來真實mac地址沖掉了，裡面都是虛假的，交換機發現沒有了對應mac怎麼辦？做廣播。做廣播時我們可以抓到上位機到控制器的清晰流量。

下面它跑了一個Modbus-TCP，這是工業乙太網裡一個非常常見的工業協議，但是它不僅僅跑了這個Modbus-TCP，還同時跑了一個組播協議，224的組播段上把通訊服務跑在組播上，把資料跑在tcp這個協議上，這是它的設計方法，我們也是透過mac泛洪的方式抓到這個流量。

Modbus-TCP埠是502，有哪些家會採用Modbus-TCP？市面上國產的DCS系統都具備這個介面，而且這個協議有先天性不足。

但是為什麼很多人要使用這個Modbus-TCP？因為Modbus-TCP是工業乙太網的協議，在工業環境裡還沒有談及安全時，只談功能、只談業務時它已經產生了，它是第一代的工業乙太網協議，所以它更關注的是怎麼實現業務，卻沒有考慮安全。

這是它的報文，它是一個7層協議，最下面有一個Modbus-TCP的站地址，這個站地址不是TCP的地址，它認為TCP裡的節點從0開始，也就是說站裡有多少個裝置，它就有多少地址。後面有一個功能碼，發進去這個資料流到底要做什麼，是被這個功能碼定義的。

另外還有地址，後面就是資料，但它這裡面沒有校驗，校驗那兩個地方是空的，因為它用了TCP的校驗，在協議裡沒加校驗。Code碼有1、2、3、4、5、6等很多種，最多有16個code，是裡有讀、寫、批次讀、批次寫。但是這裡面它沒有對身份驗證，所以做重放也好，任意接入也好，對它來講都是有效的，這是Modbus-TCP自身存在的協議上的一個缺陷。

我們針對協議上的缺陷寫了這段程式碼，目標地址是10.1.1.35，埠是502。我們對地址“000”做一次hack，行為是讓它產生一次“01”的跳變，這個跳變在我們資訊保安的人看來只是一次數值的變化，沒有什麼意義。

但是在工業領域裡不是這樣的，如果這個位置對應的是你的一個24v的蒸氣閥門，這個蒸氣閥門是關閉的，你讓它產生一次跳變時，它就會開一次再關一次，例如40噸的蒸氣瞬間會在管道里湧出來，也就是說附近以內的人沾上就死掉了，是看不見的那種蒸氣，可能是一層白煙，過去的時候身體連原形都沒有，這是我們曾經在現場出現一次事故，程式寫錯了把40噸蒸氣開啟了，現場維修的工程師連衣服都沒有剩下。

整個程式碼就是這樣的，前面那幾個字元都是標準固定的，後面是計算協議的字長，然後放哪個功能碼，功能碼放的是“1”。如何去寫資料？最後那個地方是ff，那個ff就是致1。000是致0。中間做了個延時，經過這樣一個跳變之後就實現了標誌位的0到1的跳變。我給客戶做了這樣一個展示。

這個影片就是介紹這段程式的執行，另外，大家可以看到那一側，是一個模擬的現場控制器，大家眼睛可以關注第一位的那個“0”，一旦這個程式執行之後就會產生這樣一個跳變。

這個程式碼其實非常簡單，就是我們要去做地址唯一的off，位置在哪？就是地址為“1”的這個地方。大家可以看一下那個地方，它變1了，又變0了，僅僅是這樣一個動作，你可以對一個位，也可以對所有的位，讓計算器裡所有的狀態跑的不是它原來程式所要的狀態，這都是可以的。

我們講了這麼多，最關鍵的PPT是這一頁，面對這樣的問題，我們怎麼去防護它？

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第一，交換機一定要增加埠的安全策略。就像現在工業使用者的交換機埠不是敞開就是預設的狀態，這是不可以的。如果不用一定把這個斷口堵掉，這樣可以確保埠的安全。

第二，增加工業防火牆的隔離。因為協議本身並不安全，怎麼確保是非法攻擊呢？透過過濾防火牆確保原mac以及攻擊向量踢出去。同時，網路裡一定要監控主機。

第三，使用者側原來在計算機上沒有安裝防火牆，也沒有安裝殺軟。這次我們幫助使用者安裝了殺軟，開了防火牆，並做了基線安全，同時裝了白名單的防護，因此防止其他惡意把木馬傳上來去做執行。整體在這方面的防護。

非常感謝大家，這是我的個人資訊，有二維碼、郵箱和三個團隊：暗影、破曉和米斯特，如果大家有對公共安全感興趣的可以跟我進行私下交流。

工控安全在技術上沒有什麼難點，但反而很脆弱。但是國家之所以把基礎設施安全提到這樣的高度，因為它是由人員、裝置和資產三部分共同組成的安全等級，不是簡簡單單的資訊丟失，可能造成裝置的損傷、人員的傷亡。

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