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概 述



AB PLC，即由Allen-Bradley（罗克韦尔自动化公司旗下的品牌）生产的可编程逻辑控制器（PLC），广泛应用于自动化控制系统中，尤其是在工业自动化领域。作为全球自动化设备制造的领导者之一，Allen-Bradley PLC 凭借其卓越的性能、可靠性和易用性，成为许多大型工厂、生产线、机械设备等工业自动化应用的首选。

EtherNet/IP和 CIP是工业自动化领域常用的协议，它们由罗克韦尔自动化公司及其前身 Allen-Bradley 推广和发展，特别适用于实时数据交换、设备控制以及自动化系统中的设备间通讯。EtherNet/IP 是基于标准的 Ethernet 协议（即 TCP/IP 协议族）之上的工业协议，专为工业控制网络设计，用于高效、实时的数据传输。它在 TCP/IP 协议之上定义了应用层的通信规范，允许设备（如PLC、传感器、执行器等）在工业网络中进行数据交换。CIP即 Common Industrial Protocol，是一种工业协议，用于设备间的通讯，确保各类工业设备的互联互通。CIP 为 EtherNet/IP 提供了应用层的定义，使得设备能够进行标准化的通讯和数据交换。

网上公开的CIP协议资料不多，我们结合自身研究，对AB PLC从硬件、协议、上位机逆向等不同角度进行了分析，最后开发了攻击脚本用于演示。

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分 析



2.1.硬件分析

AB-PLC种类繁多，主要包含MicroLogix、CompactLogix、ControlLogix三个系列，分别对应小、中、大型PLC，形态不同，使用场景也各异。对于实验研究，通常选用小型PLC，本文选择的是Micro850。

Micro850外观如下图所示，设备包含一个网口、串口、USB接口以及一些插件模块。



Micro850外观

对设备拆解后，可以看到PLC模块化设计明显，由上下两块板相连，底板主要负责处理电源和一些I/O控制等。



核心功能在上层主控板中，从正面能看到有扩展模块插槽、存储芯片（4M大小的W29 Nor Flash）以及各种通信接口等。



拆解-正面（Micro850）

背面PCB上有连接底板的插槽，还包括MCU及SDRAM、FPGA等各种控制芯片。



拆解-背面（Micro850）

在对设备初步分析后，接下来我们说说PLC的通信协议。

2.2.协议分析

在我们研究的众多PLC中，国外PLC常见的协议包括S7（西门子家族）、Modbus、UMAS协议（施耐德）等，国产PLC用Modbus较多，而AB PLC使用的是CIP协议。

2.2.1.CIP与EtherNet/IP

EtherNet/IP是一种将 CIP协议封装在以太网中的通信协议，说CIP是EtherNet/IP最重要的一部分也不为过。它通过对 CIP 帧进行封装，实现了在以太网上传输 CIP 数据。定义了一套面向对象的通信模型。在CIP中，每个设备被视为一组对象的集合，每个对象都有其属性、服务和行为。

CIP协议通常监听的端口是44818，Wireshark已支持解析该协议。

2.2.2.通信流程

整个通信过程大概分为如下几个阶段：TCP建立连接，创建会话Session，创建CIP连接管理，CIP连接监听，CIP连接断开，TCP断开。

一个会话开始到结束大概会经过如下过程，首先通过TCP三次握手建立连接，当TCP连接建立后会通过EtherNet/IP协议会发送一个创建Session请求包，服务端会返回一个相应数据包。当会话建立后客户端会发送一个CIP forward Open请求会话，服务端响应。CIP建立完成后即可进行相应的命令、数据等信号传输。传输完成后客户端发送forward Close请求，最后断开TCP连接完成会话。



Wireshark捕获的流量如下图所示：



EtherNet/IP协议头部结构：头部包括指令，长度信息，会话句柄，状态等信息。

Command specific Data部分包括接口句柄，Item数据项等信息。



Wireshark查看数据包如下：



2.2.3.常见字段含义



2.2.4.CIP部分对象



2.2.5.CIP部分服务



2.3.上位机逆向分析

通过对CIP协议深入研究后发现大多厂·商都会扩展自己的CIP协议，例如Service、Class不在规范里，像AB就会使用0x4D的Service，0x350的Class。

因此要研究协议特定功能码含义，需要从具体代码入手。通常可以从PLC固件和上位机软件（编程软件）入手，从分析成本来看显然上位机更优。

Micro850使用的是Connected Components Workbench，以下简称CCW，可以看到是VisualStudio风格的UI，基于WPF .NET框架开发，界面如图所示：



鉴于篇幅，本文主要对密码认证部分协议进行分析阐述，认证时输入密码如图所示：



逆向分析前，首选找到CCW的主程序CCW.Shell.exe，通过Dnspy对其静态分析，由于代码量比较大，不容易定位关键函数，于是另辟蹊径。简单研究后发现，与PLC建立连接的是RSLINX.EXE，而非主程序。



使用Windbg附加RSLINX.EXE进程，对send函数下断点，点击连接PLC后程序断下，此时主程序处于阻塞状态说明两者存在进程通信。

再次打开Windbg（32位）附加CCW.Shell.exe进程，先通过对Native层进行调试跟踪，切换Wow64后查看栈如图所示，包含大量.NET的JIT代码：



于是使用.loadby sos clr加载clr插件（注：这里必须使用32位Windbg），再切换到0号线程，最后使用!ClrStack查看.NET虚拟机栈如下所示：



显然RA.CCW.Micro800Controller.ConnectedController.ConnectToDevice()就是我们需要重点关注的函数。

由于程序没有混淆和反调试，省去一些工作量。所以直接使用DnsSpy附加CCW.Shell.exe进程，通过进一步调试和静态分析，能够定位到如下关键代码：



CreateChallengeKey函数用于创建ChallengeKey，显然该AB PLC使用了Challenge-Response挑战响应认证协议。



根据Capability的值选择使用MD5还是SHA256 Hash算法。



再结合Attribute的值来构建Challenge值，由于篇幅原因，一些细节不再赘述，感兴趣的读者可以自行分析。

最后对认证过程进行总结如图：



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攻击演示



对于AB PLC，存在运行模式和编程模式（停止状态），可以相互切换，我们分析了这部分协议，再结合上文的密码认证算法，最终实现了对PLC的启停控制。

值得注意是如果攻击者尝试爆破密码，认证失败3次后PLC会进入锁定状态，10分钟后解除，因此常规爆破方式不可行。

最后我们测试了Micro850和Micro820，通过脚本成功对PLC实施攻击。如下图所示，当PLC停止时RUN灯会闪烁。



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总 结



AB PLC在工业领域广泛应用，是各制造行业重要关键基础设备，通过资产测绘在互联网发现近万个资产，数量较大。就目前研究而言PLC协议方面存在薄弱之处，攻击者可以通过一定的攻击方式对PLC进行攻击，可导致PLC控制的硬件设备故障，造成严重后果。因此我们应该培养安全防范意识，对设备进行定期安全检查，减少被攻击的风险。

珞安科技

Luo An Ke Ji

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