1 引言
工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial control system，ICS）是國家基礎(chǔ)設(shè)施的核心并廣泛用于工業(yè)、交通、能源、水利、安防、食品以及大型制造等行業(yè)，工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全與國家安全息息相關(guān)[1]。2010年“震網(wǎng)”[2]（stuxnet）病毒造成了伊朗布什爾核電站重大損失，大量離心機(jī)報廢，導(dǎo)致伊朗的核計劃推遲，也促使工業(yè)控制系統(tǒng)安全逐漸成為網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的研究熱點。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)由封閉走向互聯(lián)[3]，大量的控制器配備了以太網(wǎng)通信組件，使得攻擊者可以直接訪問PLC硬件及其編程軟件。但PLC邏輯控制層缺少認(rèn)證和監(jiān)測等保護(hù)措施，PLC代碼的安全缺陷成為工業(yè)控制系統(tǒng)的重要安全威脅之一。
2 工控代碼利用相關(guān)研究
與傳統(tǒng)的編程語言一樣，PLC存在代碼安全缺陷，而這些代碼安全缺陷為攻擊者攻擊工業(yè)控制系統(tǒng)留下了后門。
2013年South Carolina大學(xué)的Sidney對PLC代碼設(shè)計安全缺陷進(jìn)行了深入的研究[4]，并把PLC代碼設(shè)計級缺陷主要分為基于硬件缺陷和基于軟件缺陷兩種。攻擊者可以利用PLC代碼缺陷破壞代碼邏輯，進(jìn)行中間代碼插樁，實現(xiàn)任意代碼執(zhí)行等。
2014年北京科技大學(xué)李偉澤等[5]提出和分析了一種針對SCADA系統(tǒng)的新型的網(wǎng)絡(luò)物理攻擊——偽邏輯攻擊。
2015年在blackhat-US會議上Klick等在西門子S7-300中注入了一種新型的后門[6]，通過注入工具實現(xiàn)了在S7-300上進(jìn)行SNMP掃描及SOCK5代理功能。作者利用PLC程序中存在跳轉(zhuǎn)指令的安全缺陷，成功在主程序OB1前嵌入惡意指令從而可以控制PLC的啟停以及輸出寄存器。
2016年11月在blackhat歐洲會議上Ali Abbasi等[7]實現(xiàn)了對PLC輸入/輸出接口的新攻擊，該攻擊通過篡改輸出輸入引腳改變系統(tǒng)的運行邏輯。
2017年3月，來自印度海德拉巴和新加坡的學(xué)者，演示了針對工業(yè)控制系統(tǒng)的PLC梯形圖邏輯炸彈（Ladder Logic Bombs，LLB）[8]。該邏輯炸彈是用梯形圖語言編寫的惡意軟件，這種惡意軟件可被攻擊者注入到PLC現(xiàn)有控制邏輯中，通過改變控制動作或者等待特定的觸發(fā)信號來激活惡意行為，以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)篡改，系統(tǒng)敏感信息獲取以及PLC拒絕服務(wù)攻擊等。
3 PLC代碼缺陷分類
不同于傳統(tǒng)的IT系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)有其特殊的編程語言，根據(jù)國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標(biāo)準(zhǔn)（IEC61131-3）[9]，PLC的編程語言包括以下五種：梯形圖語言（LadderLogic Programming Language，LD）、指令表語言（Instruction List，IL）、功能模塊圖語言（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）、順序功能流程圖語言（Sequential function chart，SFC）及結(jié)構(gòu)化文本語言（Structured text，ST）。本文中的代碼缺陷研究也是基于上述編程語言展開的。
工業(yè)控制系統(tǒng)的入侵與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)入侵雖然手段上大同小異，但工業(yè)控制系統(tǒng)的部署與其物理工藝流程緊耦合，因此利用工藝流程中的代碼邏輯缺陷成為針對工業(yè)控制系統(tǒng)的有效打擊手段之一，如陷阱門、邏輯炸彈、特洛伊木馬、蠕蟲、Zombie等，且這類新的惡意代碼具有更強(qiáng)的傳播能力和破壞性。本文主要研究基于軟件的PLC代碼缺陷，并從代碼邏輯缺陷和違反安全需求規(guī)約兩個方面對PLC代碼缺陷進(jìn)行分類研究。
3.1 PLC代碼邏輯缺陷
PLC代碼邏輯缺陷具有隱蔽性強(qiáng)的特性，難以發(fā)現(xiàn)，可以潛伏多年，傳統(tǒng)的安全防御思路無法解決這方面問題。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，一次開關(guān)動作不執(zhí)行，工藝執(zhí)行流程的改變以及特定的輸出響應(yīng)故障都可能造成毀滅性的破壞。
本文以梯形圖語言為例分析PLC代碼邏輯缺陷，梯形圖語言形象直觀，與繼電器的控制電路的表達(dá)方式極為相似[10]。梯形圖由觸點、線圈等圖形符號結(jié)合數(shù)字指令、算術(shù)運算指令、控制指令等指令符號構(gòu)成，PLC代碼邏輯缺陷也是由這些元素和組件位置放置不恰當(dāng)、鏈接和范圍不正確引起的[4]。表1給出了PLC代碼邏輯缺陷分類及其相關(guān)描述。
表1 PLC代碼邏輯缺陷分類表
通過利用表1中列舉的PLC代碼邏輯缺陷，可實現(xiàn)拒絕服務(wù)攻擊，中間人攻擊、改變控制器正常的工作流程等，對工業(yè)控制系統(tǒng)造成難以估量的損失。下面給出幾個PLC代碼缺陷分析和利用。
（1）計時器條件競爭缺陷
PLC編程中的計時器可通過設(shè)置預(yù)設(shè)時間觸發(fā)計時器。定時器完成位元件的不正確放置可能導(dǎo)致涉及定時器完成位的過程和定時器本身進(jìn)入競爭條件。當(dāng)定時器完成位成為激活其自身觸發(fā)機(jī)制的必需元素時，發(fā)生這種競爭條件使得定時器陷入死循環(huán)并使定時器復(fù)位。
如圖1所示，把計時器的預(yù)設(shè)值設(shè)為0，使得定時器觸發(fā)位和定時器同時打開，造成計時器持續(xù)振蕩，使得輸出O4.1無法被觸發(fā)，致使程序流程順序錯誤或進(jìn)程無法關(guān)閉等故障，實現(xiàn)拒絕服務(wù)攻擊。
圖1 計時器條件競爭缺陷梯形圖
（2）比較函數(shù)硬編碼缺陷
PLC邏輯代碼中的數(shù)字指令包含比較指令，該比較指令如果編碼不正確可能會導(dǎo)致安全隱患，使得惡意用戶可以通過比較指令將不正確的數(shù)據(jù)插入到進(jìn)程中。這些數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致進(jìn)程序列發(fā)生變化，或者導(dǎo)致進(jìn)程完全中止。
如圖2所示，假設(shè)常開觸點I0.1可以觸發(fā)高壓鍋爐的初始化，常開觸點后連接一個比較函數(shù)，O4.1控制高壓鍋爐的關(guān)閉進(jìn)程。直到A的值大于等于B的值時，O4.1被激活，鍋爐停止加熱。如果比較元素B不參考符號表中的數(shù)值而是使用定值進(jìn)行硬編碼，B中的數(shù)據(jù)是不受保護(hù)的，我們通過提高B的溫度值，使得高壓鍋爐不斷加熱直到設(shè)備損壞甚至發(fā)生爆炸。
圖2 比較函數(shù)缺陷梯形圖
（3）跳轉(zhuǎn)和鏈接缺陷
跳轉(zhuǎn)和鏈接缺陷是由一些可影響程序執(zhí)行順序的跳轉(zhuǎn)指令和邏輯塊指令的錯誤的跳轉(zhuǎn)到某個程序段而引起。這種類型的代碼缺陷類似于中間人攻擊，攻擊者可以利用錯誤的跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到一個非預(yù)期的位置，并且把在非預(yù)期的位置插入惡意的程序段，再返回到跳轉(zhuǎn)之前的位置。
圖3給出了基于跳轉(zhuǎn)和鏈接缺陷的代碼利用方法，我們可以利用跳轉(zhuǎn)到子程序JSR函數(shù)從File1跳轉(zhuǎn)到惡意代碼文件File3中，引入惡意的子程序再返回到JSR跳轉(zhuǎn)之前位置，完成惡意代碼的插入，實現(xiàn)中間人攻擊。
圖3 跳轉(zhuǎn)和鏈接缺陷圖
3.2 PLC代碼安全需求規(guī)約
除了PLC代碼邏輯缺陷，PLC代碼在物理現(xiàn)場的安全需求屬性也將決定PLC缺陷利用的成功與否。安全需求屬性是由工業(yè)控制現(xiàn)場的安全要求決定，指的是為了保證工業(yè)控制系統(tǒng)的安全，對設(shè)備狀態(tài)、時序、時間、輸入輸出量等的約束。如一個電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不超過2000rpm以及交叉路口的綠燈不能同時點亮等約束條件。在代碼中可能由于程序員的疏忽導(dǎo)致違反安全需求屬性的情況，就需要對其進(jìn)行檢測。可見安全需求屬性不是常量，而需要實際用戶進(jìn)行描述并輸入到檢測器中。Pavlovic等[11]對PLC的設(shè)備狀態(tài)、時序、時間、輸入輸出量等安全需求進(jìn)行了約束。本文將安全需求總結(jié)為分為以下五類，如表2所示。
表2 PLC代碼安全需求規(guī)約表
4 PLC代碼形式化分析與驗證
PLC代碼采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式，典型的PLC的工作過程包括三個不同階段：把輸入數(shù)據(jù)讀入存儲器、處理存儲器中的數(shù)據(jù)和更新輸出數(shù)據(jù)。PLC程序僅包含有限的狀態(tài)集合和有限的變量，且程序內(nèi)部不包含循環(huán)，安全需求依賴于輸出變量等，所以在一定程度上形式化驗證技術(shù)適用于PLC程序安全分析和惡意代碼檢測。
形式化分析分為定理證明和模型檢測兩種方法，定理證明過程過于復(fù)雜和冗繁，實際中利用定理證明來驗證PLC程序正確性的研究并未得到認(rèn)可。模型檢測是一種廣泛使用的形式化方法，他更適合用于PLC代碼的驗證，相比于傳統(tǒng)的計算機(jī)程序，對低級的PLC程序建模會更容易，因為他的狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相對簡單。
4.1 PLC形式化分析中面臨的困難
（1）PLC缺乏高級編程語言
PLC編程屬于低級編程語言且編程語言眾多，語法語義晦澀，采用分層尋址，地址尋址復(fù)雜，存在隱式的類型數(shù)據(jù)，建模難度大，語言屬性易丟失。
（2）時間建模缺失
工業(yè)控制系統(tǒng)的實時性要求很高，因此對時間進(jìn)行建模極為重要，時間建模的對象應(yīng)包括定時器的累積時間、單條指令的運行時間和執(zhí)行周期時間，由于定時器是跨循環(huán)周期的全局變量，建模時將時間考慮在內(nèi)會極大地提高建模的難度并增加檢測的時間，但不考慮時間就無法檢測出與時間相關(guān)的安全規(guī)約。
（3）物理環(huán)境建模缺失
工控系統(tǒng)與物理環(huán)境關(guān)系密切，工業(yè)控制器的輸入一般可以認(rèn)為是物理環(huán)境的輸出，輸出一般可以認(rèn)為是物理環(huán)境的輸入，構(gòu)成一個閉環(huán)回路，不考慮物理環(huán)境就無法精確地模擬出工業(yè)控制器的行為。
（4）狀態(tài)空間爆炸
PLC代碼包含的變量多，狀態(tài)空間大，對PLC代碼進(jìn)行建模分析是建立在狀態(tài)轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)上的，如果直接進(jìn)行模型檢測會造成狀態(tài)空間爆炸的問題。
4.2 PLC代碼形式化分析
PLC代碼形式化驗證旨在檢測出PLC代碼缺陷，防止惡意代碼的入侵。目前通過形式化驗證方式發(fā)現(xiàn)PLC代碼缺陷的研究主要集中于對PLC代碼形式化模型構(gòu)建、PLC代碼缺陷及安全需求規(guī)約描述以及PLC代碼模型檢測技術(shù)的研究，如圖4所示。
圖4 PLC控制代碼檢測的技術(shù)路線
4.2.1 中間語言翻譯
由于工業(yè)控制器支持多種標(biāo)準(zhǔn)編程語言，且語法語義上都有較大差異，現(xiàn)有的模型檢測技術(shù)大都基于特定的編程語言，為了降低建模的復(fù)雜性，我們需要把PLC編程語言轉(zhuǎn)化成模型檢測器可以處理的中間語言。
Darvas等[12～15]提出了將PLC程序的SCL語言轉(zhuǎn)化為基于NuSMV的中間模型方法，它是一種接近于自動機(jī)模型的中間模型。McLaughlin等[16]給出了將PLC的指令表IL語言代碼翻譯為基于Vine的中間語言ILIL的方法。Zonouz等[17]通過反編譯的方法將MC7code轉(zhuǎn)化為中間語言ILIL，該中間語言ILIL同樣使用BitBlaze[18]二進(jìn)制分析工具Vine插件來描述。
4.2.2 時間模型構(gòu)建
工業(yè)控制系統(tǒng)的實時性要求很高，因此時間是很重要的建模對象。延時寄存器（On-Delay Timer，TON）用于確保PLC中實時性屬性，TON指令為PLC的輸入信號提供延遲機(jī)制。對TON計時器建模會極大地提高建模的難度并增加檢測的時間，但不考慮時間就無法檢測出與時間相關(guān)的安全規(guī)約。因此對TON計時器的形式化驗證成為PLC代碼形式化驗證的瓶頸之一。
近年來也有一些對T ON 計時器的建模研究，Masder等[19～20]最早開始這方面的研究，他們將IL程序轉(zhuǎn)換為時間自動機(jī)模型并使用自動機(jī)和Prometa模型兩種方式對計時器建模。Willems[21]使用時間自動機(jī)對TON模型建模計來解決關(guān)于TON的問題。Wan等[22～23]在定理證明器Coq中針對梯形圖語言對TON計時器進(jìn)行形式化驗證，但沒有給出通用模塊的PLC程序形式化描述。Sidi[24]在定理證明器Coq中針對指令表語言對TON計時器進(jìn)行形式化驗證。
4.2.3 模型檢測技術(shù)
模型檢測是一種廣泛使用的自動化驗證技術(shù)，選擇合適的模型來驗證系統(tǒng)，并且通過系統(tǒng)地探測建模來檢查所要驗證的所需屬性。由于模型檢測可以自動執(zhí)行，并能在系統(tǒng)不滿足性質(zhì)時提供反例路徑，因此在工業(yè)界比演繹證明更受推崇。模型檢測在PLC系統(tǒng)安全的驗證方面特別有用，因為與傳統(tǒng)的計算機(jī)編程相比，可以更容易地將低級PLC代碼建模為狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
目前研究中用到的模型檢測工具有很多， 如SMV、UPPAAL、SPIN等。Yoo等[25]使用Verilog模型和CadenceSMV模型對核電站控制系統(tǒng)的PLC代碼進(jìn)行模型檢查。McLaughlin等[16]開發(fā)了一個TSV（Trusted Safety Verifier）工具，該工具是利用TEG（Temporal Execution Graph）圖來進(jìn)行模型檢測，在原始的IL代碼對輸出變量賦值再轉(zhuǎn)換到ILII中間語言，依據(jù)被給的安全需求，TSV使用生成的TEG圖來決定具體的原子命題值。Zonouz等[26]同樣利用TEG圖的方法進(jìn)行模型檢測，先對線性時序邏輯規(guī)范公式進(jìn)行取反接著得到TEG-UR圖模型P，然后在模型M中搜尋滿足的路徑，最后，如果在第三步中不存在任何路徑，則可認(rèn)為原始代碼滿足安全需求，能夠安全地執(zhí)行。如果存在路徑，則可以通過違反約束的路徑條件得到相應(yīng)的反例。
實際開發(fā)的PLC程序包含的多個變量和狀態(tài)空間，執(zhí)行路徑較復(fù)雜。會遇到狀態(tài)空間爆炸的問題。解決狀態(tài)空間爆炸問題最有效的方法是符號執(zhí)行，McLaughlin等[16]提出一種合并具有相同輸出的輸入來避免等價狀態(tài)生成的狀態(tài)聚合方法。Guo等[27]提出了一種用于自動測試PLC編程語言符號執(zhí)行工具SymPLC。SymPLC將PLC源代碼作為輸入，并在應(yīng)用符號執(zhí)行之前將其轉(zhuǎn)換為C語言，以系統(tǒng)的生成測試輸入來覆蓋每個周期任務(wù)中的所有路徑。為此，他們提出了一些PLC特定縮減技術(shù)，用于識別和消除冗余。
5 結(jié)語
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，一個微小的代碼缺陷可能影響到整個工業(yè)流程遭受破壞甚至威脅到生命財產(chǎn)安全。本文圍繞著工業(yè)控制系統(tǒng)控制代碼安全展開研究，從PLC代碼邏輯缺陷、代碼安全需求規(guī)約兩個方面對工控代碼缺陷進(jìn)行分類，并結(jié)合了現(xiàn)實中常見的梯形圖邏輯缺陷構(gòu)造了代碼利用場景，基于這些代碼邏輯缺陷實現(xiàn)了對工業(yè)控制系統(tǒng)的拒絕服務(wù)攻擊，中間人攻擊等。PLC代碼形式化驗證是發(fā)現(xiàn)PLC代碼缺陷的一種重要且有效的方法，文章最后圍繞著如何實現(xiàn)，簡要從中間語言翻譯，時間模型構(gòu)建和模型檢測技術(shù)三個方面闡述了PLC代碼形式化驗證的技術(shù)路線及研究進(jìn)展。