簡談MC7字節(jié)碼

◆楊柳鵬

（河北大學(xué) 河北 071002）

簡談MC7字節(jié)碼

◆楊柳鵬

（河北大學(xué) 河北 071002）

本文簡單介紹MC7字節(jié)碼和已知的MC7文件格式，并且說明對MC7文件進(jìn)行修飾的過程，闡述基于SNAP7庫的PLC注入程序，最后給出一個成功的范例來進(jìn)一步佐證MC7字節(jié)碼對PLC的影響。

MC7字節(jié)碼；西門子PLC；注入

0 引言

Stuxnet是一個具有劃時(shí)代意義的病毒。作為世界上首個以關(guān)鍵工業(yè)設(shè)施為目標(biāo)的破壞性病毒，它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)級黑客登上歷史舞臺。直到今天，Stuxnet的感染方式仍舊是不少針對工業(yè)控制系統(tǒng)的病毒的模仿對象。其在西門子PLC中執(zhí)行的惡意代碼由MC7字節(jié)碼構(gòu)成。

1 MC7字節(jié)碼簡介

西門子PLC的編程語言主要有五種：LAD、STL、FBD、SCL、GRAPH。其中，LAD和STL是常用的兩種基本語言。然而無論采用哪種語言編程，編碼完成后源碼都將自動地轉(zhuǎn)化為STL。最后編程軟件將由MC7字節(jié)碼構(gòu)建產(chǎn)生MC7文件。簡單來說就是把代碼包裝成二進(jìn)制文件。MC7字節(jié)碼是西門子PLC的CPU可以理解并執(zhí)行的原生代碼。

2 例子

這是FC100塊：

其STL如下：

其中有意義的字節(jié)和其對應(yīng)位置的作用：

0707 ：（第1-2字節(jié)）MC7文件開始標(biāo)志

01：（第3字節(jié)）塊標(biāo)識，01表示用戶塊、03表示系統(tǒng)塊

01：（第4字節(jié)）塊類型，01為常規(guī)類型、03為配置文件、05為背景數(shù)據(jù)

01：（第5字節(jié)）程序語言種類，STL對應(yīng)01、LAD對應(yīng)02、FBD對應(yīng)03、SCL對應(yīng)04、GRAPH對應(yīng)06、05和07表示編寫DB塊或SDB塊（即用數(shù)據(jù)類型、地址、大小描述）

0C：（第6字節(jié)）塊種類，OB塊對應(yīng)08、DB塊對應(yīng)0A、SDB塊對應(yīng)0B、FC塊對應(yīng)0C、SFC塊對應(yīng)0D、FB塊對應(yīng)0E、SFB塊對應(yīng)0F

0064 ：（第7-8字節(jié)）塊號

0000 0074 ：（第9-12字節(jié)）文件總長度。將74化為十進(jìn)制116，對應(yīng)此MC7文件字節(jié)總數(shù)（116個字節(jié)）

0000 ：（第13-14字節(jié)）數(shù)據(jù)類型。0800表示系統(tǒng)配置文件，0000表示用戶數(shù)據(jù)文件

0000 ：（第15-16字節(jié)）塊是否處于保護(hù)狀態(tài)。0003表示塊被保護(hù)，0000表示塊不被保護(hù)

02ab 2735 2d03：（第17-22字節(jié)）最后修改時(shí)間。其中02ab 2735（第17-20字節(jié)）表示毫秒（44771125毫秒），2d03（第21-22字節(jié)）表示天數(shù)（11523天）?；鶞?zhǔn)時(shí)間為1984年1月1日。此段代碼表示該MC7文件最后修改時(shí)間為2015年7月20日12：26：11.125

03a1 6383 21a7：（第23-28字節(jié)）最后創(chuàng)建時(shí)間。計(jì)算方法等同于最后修改時(shí)間

001 c：（第29-30字節(jié)）內(nèi)部塊數(shù)據(jù)表長度

0006 ：（第31-32字節(jié)）跳轉(zhuǎn)指令內(nèi)存

0014 ：（第33-34字節(jié)）本地?cái)?shù)據(jù)長度

000 a：（第35-36字節(jié)）執(zhí)行代碼長度

c000：（第37-38字節(jié)）對應(yīng)語句A I0.0

c100：（第39-40字節(jié)）對應(yīng)語句A I0.1。對于A I指令，字節(jié)碼占用兩個字節(jié)，以c開頭，用緊跟c后的半個字節(jié)表示位地址（即I0.1的.1），用一個字節(jié)表示字節(jié)地址（即I0.1的0）

ca00：（第41-42字節(jié)）對應(yīng)語句O I0.2。對于O I指令，字節(jié)碼占用兩個字節(jié)，以c開頭，用緊跟c后的半個字節(jié)-8的值表示位地址（即I0.2的.2），用一個字節(jié)表示字節(jié)地址（即I0.2的0）

d880：（第43-44字節(jié)）對應(yīng)語句= Q0.0.對于= Q指令，字節(jié)碼占用兩個字節(jié)，以d開頭，用緊跟c后的半個字節(jié)-8的值表示位地址（即Q0.0的.0），用后一個字節(jié)-80的值表示字節(jié)地址（即Q0.0的0）

6500 ：（第45-46字節(jié)）對應(yīng)語句BE。中止在當(dāng)前塊中的程序掃描，跳轉(zhuǎn)到調(diào)用當(dāng)前塊的程序塊

0100 ：（第47-48字節(jié)）執(zhí)行代碼區(qū)結(jié)束標(biāo)志。

3 注入

MC7字節(jié)碼可以用于設(shè)計(jì)西門子PLC的仿真程序，或脫離西門子PLC官方編譯器S7kafapx.exe實(shí)現(xiàn)對程序的修改（Stuxnet核心功能）。

3.1.注入原理

3.1.1 西門子S7Comm協(xié)議

S7Comm協(xié)議是S7通訊協(xié)議簇中的一種，用以傳輸塊。

3.1.2 SNAP7庫函數(shù)

SNAP7是一個直接和西門子S7系列PLC對接的開源的多平臺的以太網(wǎng)通信軟件。我們主要用兩個函數(shù)：

Cli_FullUpload()，從PLC的CPU上傳一個完整的塊

Cli_Download()，從我們的PC向PLC的CPU下載MC7文件

具體使用方法請查詢《SNAP7-refman》。

3.2 修飾

這里的修飾指對自由循環(huán)組織塊OB1的修飾。在注入前，參照上文給出的文件格式用十六進(jìn)制編輯器手動寫出完成含有攻擊代碼的MC7文件（在這里我把它稱作Payload），以“被調(diào)用塊名_被調(diào)用塊號.mc7”格式保存。注入時(shí)可注入MC7文件所在的整個文件夾，但被調(diào)用塊只能唯一。由于PLC在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了生產(chǎn)線的連續(xù)工作問題，所以接收一般程序時(shí)不會重啟，我們便在OB1的原始執(zhí)行代碼前插入一個用來調(diào)用塊的函數(shù)調(diào)用寫好的Payload。這樣在下一個刷新周期，CPU便會執(zhí)行我們的攻擊代碼。

這里需要注意，CALL函數(shù)調(diào)用塊時(shí)需要添加程序塊參數(shù)和背景數(shù)據(jù)塊，所以我采用UC函數(shù)，即無條件調(diào)用。

構(gòu)建注入器時(shí)采用如下代碼定義調(diào)用FC塊代碼：

uint8_tuc[] = {

0xFB, 0x70, 0x00, 0x00,

0x70 , 0x0B, 0x00, 0x02,

0xFE, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0xFE, 0x0B, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x30 , 0x03, 0x00, 0x00,

0x30 , 0x03, 0x00, 0x00,

0x70 , 0x07

};

除了插入調(diào)用塊函數(shù)，我們還應(yīng)按照插入代碼大小修改OB1的原始MC7文件的“執(zhí)行代碼長度”和“文件的總長度”區(qū)域。

3.3 情景假設(shè)

假設(shè)我們已獲得一個由許多PLC、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、傳感器、HMI和其它一些設(shè)備組成的ICS結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限。在這種情形下，我們可獲得目的PLC地址，進(jìn)而篡改邏輯。

4 范例

范例采用PLCSIM仿真器模擬被注入的PLC。使用NetToPLCSIM軟件建立物理網(wǎng)絡(luò)接口和仿真PLC的連接，模擬和仿真PLC的通信。

采用上文例子“FC_100.mc7”。

注入完成后打開Step7主面板選擇“在線”，此時(shí)會發(fā)現(xiàn)OB1塊后新增FC100塊。觀察OB1塊會發(fā)現(xiàn)調(diào)用函數(shù)“UCFC100”已插入其中。由于存在塊調(diào)用PLCSIM增加了邏輯：

I0.0和I0.1同時(shí)置1則Q0.0置1；I0.2置1則Q0.0置1。

[1]Dillon Beresford. Black hat. In Siemens Simatic S7 PLC Exploitation[M].NSS Labs, 2011.

[2]DavideNardella.SNAP7[EB/OL]. http://snap7.sourceforg e.net/.