G.O.S.S.I.P 阅读推荐 2024-08-09 PLC安全总览

关于可编程逻辑控制器也就是Programmable Logic Controller(PLC)这个名字,可能很多人就是从当年引爆了安全新闻圈的伊朗核电站Stuxnet攻击事件中第一次听到的。实际上,在工业控制领域,在互联网还没那么发达的上个世纪,PLC已经是一个成熟的产业了(冷知识:世界上第一个PLC——Modicon 084是在1968年发布的,而Unix系统是在一年之后发布的),像西门子之类的公司早就深耕这个行业多年。最近随着国产化替代的兴起,PLC的国产化也被越来越多的提上议事日程,所以今天我们就要介绍一篇USENIX Security 2024上关于PLC安全的SoK论文Security of Programmable Logic Controllers

首先要了解一下PLC的基本知识。其实从硬件上,你完全可以把它看作是一个嵌入式系统,无非就是多了一些来自外部的输入和输出——通常都是连接需要控制的工业设备(例如电梯、空调这种):

实际上,PLC最大的特点是它的编程规范。在1993年,PLC有了自己的国际标准——IEC 61131-3 standard,这个规范定义了PLC支持的几种不同的编程语言,例如下面图中展示的这种,你看起来好像是个什么示意图,实际上它也是一种代码,叫做梯形图,是一种可视化编程语言。看到这里大家有没有想到现在特别流行的幼儿编程语言Scratch,哈哈,我们并不是说梯形图比较朴素,只是说这个是特定历史年代下为了让一些不懂计算机的工程师(特别是电气领域)能够开发出来相关的程序而设计的产物,当然现在让我们大声喊出来“PythonPHP是世界上最好的语言。

在这个标准的定义下,PLC变成了有点像Java的感觉:上层都是通用的开发语言,但是底层的执行引擎(runtime)却完全不透明,厂商可以自己去设计特定的软硬件来实现对上层的PLC编程代码的(解释)执行。随着时代的发展,PLC内部逐渐开始使用RTOS作为核心,同时也引入了联网功能,支持使用串行总线协议Fieldbus或者是基于IEEE 802.3以太网通信规范之上开发的一些私有通信协议来进行PLC设备之间的数据交换。

从上面的介绍,你可以把PLC想象为一个相对比较落后于主流计算机(嵌入式设备)发展的“半原始社会”,既接受了一些主流计算机领域的先进设计,在大部分实现上都还非常简陋。针对这种发展现状,本文作者调研了最近10多年来和PLC领域相关的133篇安全研究相关论文(2007-2023年期间发表),提炼了其中涉及到的119种攻击方法和70种防御措施,同时总结了一套PLC相关的安全威胁分类学(感觉这已经是套路了),形成了本文的主要研究内容。下图是作者的研究方法的示意图(现在连怎么做研究都要画图了,走上了大公司PPT的套路):

论文的核心干货是作者总结的两张表——Table 1和Table 2,这两张表涉及的内容太多,要怎么去解读,显然把涉及到的133篇论文都讲一遍是不现实的(事实上有时我们都应该质疑一下这种Survey或者SoK论文到底有没有必要去强调自己调研的论文的数量,反正你最后也不可能全部都用上这里面的内容),所以作者先对攻击(防御)分类,然后每个类别里面挑了两篇引用最高的,简单介绍了一下这两篇论文的highlight,实际上看完你就会发现,PLC这个生态就是个大型的缺乏防护的“安全金矿”,下面这个图里面各个环节,都不像主流互联网一样各种安全防护(例如加密、认证、访问控制)层层部署,甚至基本上都在裸奔,安全攻击者一旦进入到这个领域简直不要太开心了~~~

作者针对这些研究,进行了一些总结,要点包括:

  1. 大部分的攻击甚至都不需要去了解PLC生态的特点,完全就是把计算机安全的技术平移过去就可以了,实际上这种问题应该是在几乎所有领域都存在的,计算机安全考研热可能还会延续一段时间。

  2. 安全研究实际上很多都只是在实验室而不是生产环境里面开展的,因此要么没有覆盖到主流的产品和环境,要么压根就没去对主流的产品进行调查,比如说下面的图中,三菱(Mitsubishi)的PLC基本上就没人研究,但是它家的市场份额还是蛮高的(特别是国内很多使用)。

在我们的介绍里面,基本上忽略了作者提出的那个威胁矩阵,感觉这种东西好像有点套路,感兴趣的读者可以去作者的repo里面看看:

https://github.com/efrenlopezm/ics2matrix

当然,作者也没忘记把所调查的论文的数据集开源出来:

数据集:https://github.com/efrenlopezm/plc-sok-dataset

这篇论文还有一个extended version,和USENIX Security的版本相比主要是附录里面多了很多东西,大家如果喜欢可以去读一读,比如在Appendix F里面介绍了包括Stuxnet在内的四个有名的Real-World PLC攻击案例。

https://arxiv.org/pdf/2403.00280


论文:https://www.usenix.org/system/files/sec24summer-prepub-483-lopez-morales.pdf


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