2019 SDC 议题回顾 | 工业集散控制系统的脆弱性分析

作为工控系统种类之一，集散控制系统（DCS）多用于控制关键基础措施，分布在石油、化工、冶金、水泥、水系统中，是工艺操作人员的“大脑”。其重要性更是不言而喻。

上世纪70年代中期，出现了以微处理器为基础的分散式控制系统，经过30多年的发展，DCS已经综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术，在功能日益健全的同时也面临着越来越多的安全风险。

下面就让我们来回顾看雪2019安全开发者峰会上《工业集散控制系统的脆弱性分析》的精彩内容。

编辑按

crownless：在工业生产进入信息化、数字化时代后，其安全问题越来越受到人们的重视。如果系统被入侵，不仅可能造成生产被迫停止，甚至还可能产生爆炸等事故。工控安全在技术上难度较低，但反而很脆弱。这就要求我们投入更多的资源在工控安全上。

嘉宾介绍

剑思庭，复旦大学软件工程硕士，暗影安全团队工控安全高级研究员，中国自动化协会常任理事，Kcon 2018讲师，开发Ethernet/IP协议设备嗅探工具。

大会上讲师为大家介绍了工业集散系统架构、工业网拓扑以及脆弱性分析，为大家打开了风控领域的新视野。

演讲具体内容

以下为速记全文：

大家好！我现在就职于工业自动化厂商侧，来负责工控渗透及防御工作，也承担了暗影安全、破晓安全和米斯特安全的工控研究。

接下来我给大家分享的题目是“工业集散系统的脆弱性分析”。

在工控系统里有很多种类，除了PLC还有一个大种类是DCS工业集散控制系统，它和PLC在架构和应用上的区别，这种领域里存在哪些脆弱性而带来系统不稳定的状态呢？接下来和大家简单分享。

用户方使用一套这样DCS的系统，用户通过非授权的USB的使用，这个USB的使用是由业主供应商带过来的，不慎把它的上位机感染了wannacry变种，造成了它的上位机蓝屏，用户找到我们团队帮助它解决病毒的问题。

通过这个引发了什么事情？我们做完HMI的防护后，让我们帮助检查除此之外工业控制网络DCS系统有没有相应脆弱性，基于此就产生了今天的这个议题。

大家看到的结构就是我们经常会碰到的DCS的标准架构，下一侧灰颜色的地方就是所谓控制器，在DCS里它叫“单元控制器”，它是控制什么？它是控制化工、石油以及水行业里的阀门和传感器。

自动化设计的初衷是代替手动制造，不需要人为参与工业生产，它就是干这个的，它有不同种类的控制器。再往上一层，通过以太网的形式是它的监控系统。

大家可以看到那个控制器是一个盒子一样的东西，它通过信号线连接了外侧的传感器和执行器，作为总控室操作人员，如何能够第一时间知道现场状态，通过什么样的交互界面呢？将通过上面这一层，我们叫监控系统。

再往上一层就是所谓的管理系统，在管理系统里会提取你监控的信息以及管理信息，综合起来再去分析你的生产状况。下面那层只是纯监控、监视和控制，上面那层会有分析。这是标准的DCS系统。

它和PLC工控系统有什么区别？PLC是以下面灰颜色控制器为主，上面的监控软件和下面的控制器可以是两个不同的厂商、可以是两个不同的软件，甚至可以是一个PLC上面挂一个开发的应用软件，但是DCS里永远不会出现这样的情况，DCS都是一个厂商，而且走的协议也是私有协议。

我们测试的主要是红框这个地方，这个地方是安全仪表系统，比如我假设一个场景，因为大家可能都不是在做制造业的，很难在脑中复现这个画面。

举个例子，大家都开车，车里的汽油是怎么产生的？由三大油厂商把地下石油提炼出来，经过练化、裂解才变成我们使用的石油，过程中它会经过高度加温，经过离心高速旋转，但是这两项行为是很危险的。

红颜色的系统是什么意思？比如它设定一个温度超高比如1200度如何，如果罐里液体少于10%又如何，离心超快达到几万转又如何，它为了保证安全性会设立这个控制器，一旦超出设立指标马上停止，以确保设备安全和人的安全。

这是传统信息安全和工业安全的本质区别，传统信息其他更多保护的是知识资产、信息资产，但是工控安全不是这样的，信息资产也很多，但是更重要的是人和设备。

我们曾经出现过一件事情，大家都知道锅炉，北方冬季取暖都用到暖器，暖器是由供热公司送过来的，它有一个专门产生蒸气的锅炉把蒸气送过来，如果水在锅炉液位超低的话，再烧就会炸了，这个控制器就是确保水不能烧干了。

就像大家在家里烧水一样。在锅炉系统里，一旦水烧干了，锅炉就会被炸掉，因为里面的热气没有办法被释放出来。这个控制器就是确保设备和人身的安全。

这个场景有几部分组成？有2台思科2960二层交换机组成它的网络结构，另外有两台DCS控制器，另外有两台server里面运行server2003，还有4台client，XPSP3的，为什么我把这侧面标灰了，是因为我们要去打补丁和安全防护的，客户让我们测试的里面不包括这两台设备，另外，我们使用1台kali机器。

这个图就是网络架构，中间两台是2960交换机，下面2台是冗余控制器，上面两台是server是2003，还有4台client。每台机器上都有两条线，一个黄的，一个绿的，它是保证单网络不要出现中断的情况，双网下来。

但是它为了保证网络冗余性，它不仅仅保证双网，还保证了如果交换机坏掉也不影响使用。这里它就构成了STP，生成数的这样一个环境。

仔细去看，会发现这里是有环的，如何确保没有环，这是DCS厂商自己解决在通讯上的问题，既保证链路是冗余的，又要保证不要形成环路。就像一个小区一样，路由很多，怎么确保不要打转呢，这由厂商去解决。

每台计算机后面的接口都是这样的，一块网卡上有两个口。厂商把它做成了桥接模式，传统来讲这应该是2个不同的网段，但把它做成了同一网段，这种模式下它就形成了环。

如何破解这个环路，不让它对环路形成干扰？厂商自己开发了二层的容错以太网协议，这个协议10年前就开发出来了，是非常优秀的以太网冗余的协议。

左侧图是把两口的网卡协议层时加了自己的驱动软件，把它做成了桥接，桥接这个模式时又屏蔽了STP可形成环的检测，这是它做得很高明的地方。同时，它在这里面开通路由功能。

再往上是协议层，它要跑自己的工业协议，这里面跑的什么协议从后面可以看到。这张图是一个基于二层高可靠性的网络，另外的图片是每一个节点状态是不是正常的，到任何一个节点都有4条链路可以走，任何一条链路坏掉都没有影响，但同时它只走了1条链路。

大家可以看下面的图，虽然它有4条，最后会把2条堵上，哪条最优是它自己做计算的。

我们团队接到渗透任务这个时候首先看到的是2960交换机，首先去看能不能找到和2960以及这个厂商相关的信息。我们找到了这个厂商的配置文件，标红的地方是什么意思？它不让你在DCS网络里形成环，并启用MSTP协议，保证只有单链的通讯，同时又可以实现多路径的冗余。

在此基础上，STP有什么特点？它是为破解环路而设计的一个网络。STP有一种没有使用的状态，第二种是转发的状态，第三种是把这个关口关闭掉，为了防止形成环路，还有一种是在学习，还有一种是在监听，这5个状态是在循环的，交换机的这个端口的状态是这样的循环。

每一个状态的切换都需要5-15秒，这5-15秒之间是不做任何数据转发的，也就是说数据是中断的。另外一个图，当形成三角、形成环路时，它会把端口阻塞掉，虽然外形很像环性，但其实它是line形。

我们采用什么工具去做这个破坏性实验？我们尝试一下，如果我们对这个STP做攻击会有什么结果。我们采用了一个工具，这个工具是专门攻击工业以太网二层协议的工具，大家使kali 2007版以前的都有这个工具。

我们当时选择了BPDU连续发送，什么意思？在刚才看到的3台交换机里形成环网时，永远有一个管理者来决定哪个端口是关闭的、哪个端口是开放的。怎么选择这个管理者？就是我想如果、地址最低的那个设备视为管理者。

我们就模仿了一下，如果我们对这个交换机发大量mac地址肯定有地址比你低，会不会造成它的链路震荡？这个视频是我们做的，DCS系统上位机，可以看到攻击状态，它输入用户名和密码，输入进去之后我们选择在线监控图，这张图是客户在线的生产状态，我切到这个系统里，针对那台2960 mac地址做一次hack，目标mac一定是交换机的我想如果、不是端口mac，因为它是二层的，端口上没有mac。

我们先发一个BPDU一次震荡，告诉它会产生震荡，这时它开始学习了，然后我们发个连续让它震荡不停，mac地址在狂发送。这时我们切换到平台上，这时画面还是有的，但是数据已经不刷新了，画面为什么还有？它有一个和自己控制器重连的时间，这个重连时间有3次里面定义的时间，现在看来所有的都还是可以的。

这时数据已经不刷新了，我们再想回到界面时发现它已经报错了，“timeout”控制器已经全部断开连接了。这是我们的一个演示，造成DCS上位系统和它的控制器连接断开了。

DCS有个最大的不同，一旦上位机断开，下面的控制器设备自动进入保护状态，不会自己持续，间接把控制器做成了hold的状态，所有端口都会保持上一时间的状态，不再做任何变化。

另外，当我们发现这个之后，尝试想看到控制器跑了什么协议，我们采取了什么办法？大家有没有人知道CVE-2018-0171，是一个安全团队发现思科的漏洞，也就是说在4786端口上如果发一个畸形数据包时会把交换机打死，甚至会拿到root权限。

我们之所以用这个CVE打这个交换机，是想做个端口镜像，把上位机到控制器的流量引出来。因为交换机不像集线器，它不是全端口转发，你根本看不到它们俩的流量。

这段是我们的攻击代码，最下面的一个是发送了，在tv1和tv2那两个地方如果装了特殊字符就会引起2960交换机直接死机了。当时我们是想能够获得root，但是没有成功，很不幸直接把交换机打死了。

而且客户当时只给我们1天时间，没有办法再修改代码去找到错误的地方获取root。我们采取了另外一个比较粗暴的方式，就是Mac泛洪，2960交换机的mac地址表大概是4K，我们测试只要超过了4K多之后，它就会变成一个hub。

因为它自己找不到那些需要做转发的端口，因为mac地址表，哪个端口对应哪个，会把原来真实mac地址冲掉了，里面都是虚假的，交换机发现没有了对应mac怎么办？做广播。做广播时我们可以抓到上位机到控制器的清晰流量。

下面它跑了一个Modbus-TCP，这是工业以太网里一个非常常见的工业协议，但是它不仅仅跑了这个Modbus-TCP，还同时跑了一个组播协议，224的组播段上把通信服务跑在组播上，把数据跑在tcp这个协议上，这是它的设计方法，我们也是通过mac泛洪的方式抓到这个流量。

Modbus-TCP端口是502，有哪些家会采用Modbus-TCP？市面上国产的DCS系统都具备这个接口，而且这个协议有先天性不足。

但是为什么很多人要使用这个Modbus-TCP？因为Modbus-TCP是工业以太网的协议，在工业环境里还没有谈及安全时，只谈功能、只谈业务时它已经产生了，它是第一代的工业以太网协议，所以它更关注的是怎么实现业务，却没有考虑安全。

这是它的报文，它是一个7层协议，最下面有一个Modbus-TCP的站地址，这个站地址不是TCP的地址，它认为TCP里的节点从0开始，也就是说站里有多少个设备，它就有多少地址。后面有一个功能码，发进去这个数据流到底要做什么，是被这个功能码定义的。

另外还有地址，后面就是数据，但它这里面没有校验，校验那两个地方是空的，因为它用了TCP的校验，在协议里没加校验。Code码有1、2、3、4、5、6等很多种，最多有16个code，是里有读、写、批量读、批量写。但是这里面它没有对身份验证，所以做重放也好，任意接入也好，对它来讲都是有效的，这是Modbus-TCP自身存在的协议上的一个缺陷。

我们针对协议上的缺陷写了这段代码，目标地址是10.1.1.35，端口是502。我们对地址“000”做一次hack，行为是让它产生一次“01”的跳变，这个跳变在我们信息安全的人看来只是一次数值的变化，没有什么意义。

但是在工业领域里不是这样的，如果这个位置对应的是你的一个24v的蒸气阀门，这个蒸气阀门是关闭的，你让它产生一次跳变时，它就会开一次再关一次，例如40吨的蒸气瞬间会在管道里涌出来，也就是说附近以内的人沾上就死掉了，是看不见的那种蒸气，可能是一层白烟，过去的时候身体连原形都没有，这是我们曾经在现场出现一次事故，程序写错了把40吨蒸气打开了，现场维修的工程师连衣服都没有剩下。

整个代码就是这样的，前面那几个字符都是标准固定的，后面是计算协议的字长，然后放哪个功能码，功能码放的是“1”。如何去写数据？最后那个地方是ff，那个ff就是致1。000是致0。中间做了个延时，经过这样一个跳变之后就实现了标志位的0到1的跳变。我给客户做了这样一个展示。

这个视频就是介绍这段程序的执行，另外，大家可以看到那一侧，是一个模拟的现场控制器，大家眼睛可以关注第一位的那个“0”，一旦这个程序执行之后就会产生这样一个跳变。

这个代码其实非常简单，就是我们要去做地址唯一的off，位置在哪？就是地址为“1”的这个地方。大家可以看一下那个地方，它变1了，又变0了，仅仅是这样一个动作，你可以对一个位，也可以对所有的位，让计算器里所有的状态跑的不是它原来程序所要的状态，这都是可以的。

我们讲了这么多，最关键的PPT是这一页，面对这样的问题，我们怎么去防护它？

第一，交换机一定要增加端口的安全策略。就像现在工业用户的交换机端口不是敞开就是默认的状态，这是不可以的。如果不用一定把这个断口堵掉，这样可以确保端口的安全。

第二，增加工业防火墙的隔离。因为协议本身并不安全，怎么确保是非法攻击呢？通过过滤防火墙确保原mac以及攻击向量踢出去。同时，网络里一定要监控主机。

第三，用户侧原来在计算机上没有安装防火墙，也没有安装杀软。这次我们帮助用户安装了杀软，开了防火墙，并做了基线安全，同时装了白名单的防护，因此防止其他恶意把木马传上来去做执行。整体在这方面的防护。

非常感谢大家，这是我的个人信息，有二维码、邮箱和三个团队：暗影、破晓和米斯特，如果大家有对公共安全感兴趣的可以跟我进行私下交流。

工控安全在技术上没有什么难点，但反而很脆弱。但是国家之所以把基础设施安全提到这样的高度，因为它是由人员、设备和资产三部分共同组成的安全等级，不是简简单单的信息丢失，可能造成设备的损伤、人员的伤亡。

注意：点击文末原文链接，即可查看本议题完整演讲PPT。其他议题演讲PPT，经过讲师同意后会陆续放出，请大家持续关注看雪论坛及看雪学院公众号！

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