工控安全入门(二)—— S7comm协议

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在上一次的文章中我们介绍了施耐德公司的协议modbus,这次我们把目标转向私有协议,来看看另一家巨头西门子的S7comm。首先要说明,这篇文章中的内容有笔者自己的探索,有大佬们的成果,但由于S7comm是私有协议,一些结论和看法不可能完全正确,希望各位有认为不对的地方或是更好的看法可以评论告诉我。

ps:有些专业名词可能不对,因为没找到准确的翻译或者是根本没找到官方定义(毕竟是私有协议),笔者就自己起了名……

建议阅读本篇前首先阅读:工控安全入门(一)—— Modbus协议

 

S7comm简介

西门子是德国的一家超大型企业,在能源、工业、医疗、基建等等方面都有它的身影,同时它也位列全球500强第66名。作为一个以电报起家的大型企业,它对于通信更是重视,S7comm就是西门子为了它生产的PLC之间、SCADA与PLC之间的通信而设计的专属协议。

和Modbus的应用层协议不同,S7comm的协议栈修改程度更高,在应用层组织的数据经过COTP协议、TPKT协议的进一步处理后,最终通过TCP进行传输,下面是wireshark wiki给出的S7comm的协议栈:

OSI layer Protocol
Application Layer S7 communication
Presentation Layer S7 communication(COTP)
Session Layer S7 communication(TPKT)
Transport Layer ISO-on-TCP (RFC 1006)
Network Layer IP
Data Link Layer Ethernet
Physical Layer Ethernet

我们说的题目虽然是对S7comm的分析,实际上是对整个协议栈的探索。鉴于数据包逻辑上是由高层进行封装再一步步的转递给较低层,但我们接收到包后是低层一层层拆卸交给上层,基于逆向思维,我们之后的分析应该是由低向高展开的

 

TPKT协议

我相信大家对于传输层往下的内容应该比较熟悉了,都是TCP/IP的基本内容,我就不再赘述,直接从会话层来看。

TPKT协议是一个传输服务协议,它为上层的COPT和下层TCP进行了过渡。我们常用的RDP协议(remote desktop protocol,windows的远程桌面协议)也是基于TPKT的,TPKT的默认TCP端口为102(RDP为3389),其实它本身为payload增加的数据并不多,主要就是以下几个:

  • version,1byte,表明版本信息
  • reserved,1byte,看到这个名字就知道是保留的了
  • length,2byte,包括payload和这三部分在内的总长度

下面我们就用之前分析过的2018工控比赛的流量包来实际看一下

可以看到,版本号是3号,长度为31,除此之外该层并没有什么有用信息了

 

COPT协议

COPT协议的全称是Connection-Oriented Transport Protocol,即面向连接的传输协议,从这个名字就可以看出,它的传输必然是依赖于连接的,所以在传输数据前必然有类似TCP握手建立链接的操作。

让我们先来看看具体的流量包

首先是TCP的三次握手,在192.168.25.146与192.168.25.139间建立了TCP连接,之后是两个COTP的包,注意,这里wireshark为我们标注出了CR和CC,后面的COTP包都是DT,这里的CR和CC其实分别是connect request和connet confirm的,也就是建立连接的过程,之后连接建立成功后,发送DT包,也就是data ,是在发送数据。

我们接着再看看他们携带的数据

可以看到,DT包和连接包有着明显的不同,连接包明显多了一堆内容,这其实是COPT包的两种形态,COTP连接包(COTP Connection Packet)和COTP功能包(COTP Fuction Packet)

首先来看COPT连接包,通过上面的wireshark的分析我们可以看到,主要有以下几个字段:

  • length,1byte,数据的长度,但并不包含length这个字段(个人感觉很奇怪……)
  • PDU type,1 byte,标识类型,图中的0x0d即为连接确认的类型,常有的还有
    • 0xe,连接请求
    • 0x0d,连接确认
    • 0x08,断开请求
    • 0x0c,断开确认
    • 0x05,拒绝
  • DST reference,2byte,目标的引用,可以认为是用来唯一标识目标
  • SRC reference,2byte,源的引用,同上
  • option,1byte,可以看到wireshark将8位拆为了前四位和后两位:
    • 前四位标识class,也就是标识类别
    • 倒数第二位对应Extended formats,是否使用拓展样式
    • 倒数第一位对应No explicit flow control,是否有明确的指定流控制
  • parameter,附加的参数字段,参数可以有多个,每个参数又由以下几个字段构成:
    • code,1byte,标识类型,主要有:
      • 0xc0,tpdu的size,tpdu即传送协议数据单元,也就是传输的数据的大小(是否和前面的length有重复之处?)
      • 0xc1,src-tsap,翻译过来应该叫源的端到端传输(在完整的TCP/IP协议栈中,这个字段代表的是应用与应用之间的通信,我这里猜测可能是为了),但从西门子给的手册来看,它标记的应该是机架号,可是不管我怎么查,也没有找到wireshark解析出的字符串。那么逆向我们找不到答案,就只能正向来了,在parameter字段的最后我们再来详细说这到底是个啥。

      • 0xc2,dst-tsap,同上,之后我们再探索
    • length,长度
    • 对应的数据

接着COPT功能包,其实个人感觉这两种包可以归为一种,但是看到文献都是分为两种的,那我们也就划分为两种吧

  • length,1byte,长度
  • PDU type,1 byte,图中为0x0f,即为数据传输,此外的type都不太常用,这里不再提了(其实是我没找到相关的流量包……有这方面流量的大佬希望补全以下)
  • option,1byte,以位为单位划分:
    • 第一位,标识是否为最后一个数据包(从这可以看出,COPT协议当数据较多时,会分为几个单元传输
    • 后七位,标识TPDU的number

到这COPT包我们就算是分析的彻彻底底了,当然,上面还留了个小问题,parameter里的tsap到底是个什么东西?一些我们看上去整不明白的参数到底是干啥的呢?既然逆向不行了,我们就通过正向开发来看看,这到底是个啥,以下使用Simatic NET 软件(做的时候忘记截图了……图片来自http://www.ad.siemens.com.cn)。

我们配置了一台local的OPC服务器(OPC服务器可以理解为转换协议的一种设备),目标是实现它和PLC的通信。我们选择使用Ethernet,并分别配置了机器的ip地址和子网。

接着我们进入地址的细节,发现了TSAP和RACK/SLOT两个重要的选择项,实际操作我们才发现,RACK是指CPU的机架号,而SLOT是指是CPU的槽位号,通过这两个参数我们就可以唯一指定一个CPU。

那说明手册有错?那怎么可能,人家好歹也是个大厂,玄机就在这个TSAP上。其实它有三部分组成:

  • 连接号(我瞎起的名,确实是没找到这玩意叫啥),指的是连接方式,03就是单向通信,单向的可以连接多个设备,10以上的就是双向的,双向的就没法多个设备了。
  • 机架号,就是RACK
  • 槽位号,就是SLOT

如图所示,我们为OPC服务器配置的是12.11,也就是双向通信,1号架1号槽位,而PLC则是03.02,单向通信,0号架2号槽位。那么问题又来了,这和我们流量里的数据包完全不一样啊!

数据包里是SNOPCCxxxx,咋解释?这可一点也不符合我们上面的说明,这其实是另外一种连接方式,叫做S7优化连接,比起之前的连接方式,这种连接可以以符号的形式访问数据块。

它规定了src-tsap为SNOPCC000x000xxx,第一个x笔者没有搞明白代表了什么,第二个是连接数,图中即为有一个连接,而在dst-tsap必须为SIMATIC-ROOT-OTH 。刚好也和我们的数据包对应。所以我们分析的数据包应该是一个单向连接,连接的数目是一个。

到这里,我们对于COPT可以说是精确到每一位了,虽然还有一些地方有瑕疵,但总体来说是没什么问题了。

 

S7comm协议

总算是来到了最后的S7comm协议,它的结构很简单,主要分为三部分:

  • Header,主要是数据的描述性信息,最重要的是要表明PDU的类型
  • Parameter,参数,随着不同类型的PDU会有不同的参数
  • Data,具体的数据

首先我们就具体来看看这个Header有什么玄机

aa

  • Protocol id,1 byte,即协议的id,为0x32
  • ROSCTR,1byte,pdu的类型,一般由以下几种:
    • 0x01,job,就是开工干活的意思,主设备通过job向从设备发出“干活”的命令,具体是读取数据还是写数据由parameter决定
    • 0x02,ack,0x02,确认
    • 0x03,ack data,从设备回应主设备的job
    • Reserved,2byte,保留
    • PDU reference,pdu的参考
    • parameter length,参数的长度
    • error class,错误类型,像是图中的0x00就是没有错误的意思,而常见的请求错误则是0x85
    • error code,错误码,结合错误类型来确定错误,图中的0x00同样是没有错误的意思

关于具体的错误类型和错误码的信息大家可以自行搜索,因为太多了这里就不再展开说明了。而parameter取决于不同的pdu类型,所以这里也不再说了,下面来看看具体的流量包

可以看到该pdu为job,也就是主设备在发号施令,而通过parameter可以看到,function是0x04的read,也就是读取数据,item count意思是后续跟了几个item,该pdu就一个,所以为1。而这个item的结构就有要单独说说了:

  • variable specification,1byte,一般就是0x12(我没见过别的……)
  • 长度,Length of following address specification,数据的长度
  • Syntax Id,符号id,一个标志,决定了一些格式性问题,这里是0x10是Address data S7-Any pointer-like DBx.DBXx.x的意思,具体啥意思我们在看完下面几条后再提,详细的大家还是可以去自己看看,主要就是对于后续的寻址起到了一定的限定
  • 传输大小,也可以认为是传输类型,在这是4,也就是WORD
  • DB number,就是数据块编号的意思,0就代表要找的东西不在数据块里
  • area,要操作的“东西”,比如0x82,就是读设备的输出,通过这一位也可以看到,我们要读的数据不在DB里,所以DB number为0,如果为DB的话,这1byte应该为0x84
  • address,具体的地址,如下图所示,前五位没用到,第六位到第二十一位是Byte地址,最后三位是Bit的地址

首先,它定义了格式为Address data S7-Any pointer-like DBx.DBXx.x,然后指定了读取的”东西“为设备的输出,读取的大小为word,其实到这里这个pdu的全部信息就已经分析完了,但是为了让大家更好的理解上面定义的格式,我们还是继续看一下。

它读的DB number是0那么根据格式就是DB0.DBXx.x,而读取的address是Byte为0,Bit为0,也就是DB0.DBX0.0,如果我们指定的”东西“为数据块的话,就按照这种格式读取。这就是格式的意思,再比如说0xb2,描述为Symbolic address mode of S7-1200,实际上格式就是符号地址,就不再是这样的组织形式了。

再来看看上个pdu的相应,这里截图没截到header,header最值得关注的是pdu的类型,这里是0x03,也就是我们之前提到过的对于job的相应

而paramter部分可以看到,function是与job pdu的相同的。Data部分就是传回来的具体数据了,return code是返回码,用来标识job让干活的结果,这里是0xff,代表的是成功的意思,除了这个,还有以下几种:

  • 0x01,硬件错误
  • 0x03,想访问的东西不让访问
  • 0x05,地址越界了
  • 0x06,你请求的数据类型和请求的”东西“的数据类型不一致

接着是data的长度(是真的data的长度,不包含前面),最后就是具体的data了,可以看到,这里读到的是0x0000。

到此,S7comm协议我们也认识的差不多了,下面就让题目了。

 

2018年工业信息安全技能大赛(东北赛区)工业协议数据分析

因为19年的题目涉及到S7comm的上次我们已经做了一个了,所以这次就找了个别的题目,首先来看流量包

可以看到一大堆的协议,不过整体思路还是刚才清晰的,首先是ARP协议去找mac地址(不知道arp的,补一下计算机网络的知识吧……),接着是标准的TCP三次握手,接着是COPT的建立连接(要不以后我叫他两次握手?),接着就到了S7comm和modbus来具体干活了。

我们可以看到这个job和我们之前的并不一样,打开仔细瞧瞧

可以看到parameter中的funtion为0xf0,是建立通信的意思,这其实是和上面的TCP、COPT有些相似的,都是在两个设备之间建立通信,而参数的主要信息是MAX AMQ calling和MAX AMQ called。

下面一个ack_data的pdu自然是相应建立通信的意思了,经过TCP握手、COPT建立连接、S7comm建立通信,这样设备间的通信才正式建立完毕了。

往后的S7comm可以看到是read,也就是在读数据,数据包和上面提到的一样,不再赘述。经过查找,并没有flag。

这时候就要考虑modbus协议中是否存在flag了,这时候就要用到之前modbus的技巧了,1、2、3、4的function code没有大规模取数据的能力,flag一般都在他们之外,进行下简单的过滤,打印出相应的数据就ok了

脚本还是用上一篇文章的就可以,这里就不在放了,需要的去上一篇取即可(不水字数了)。

最终flag为modbusICSsecurityWin

 

总结

S7comm作为一个私有协议,它的可出题点其实更多,而且由于是私有协议,很多地方都还有挖掘的空间,这篇文章只是带大家按照我的思路,从无到有的分析了S7comm的各个部分,肯定有不完全正确的地方,也肯定有细节没有考虑到,希望大家能更进一步,探索更多的秘密。

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