電力工控協(xié)議脆弱性動態(tài)分析技術(shù)的研究

陳 岑，呂 卓，郭志民，李暖暖

（國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052）

0 引 言

面向電力工控協(xié)議分析的脆弱性分析技術(shù)包含靜態(tài)和動態(tài)兩個方面[1]。靜態(tài)分析方面，在不運行電力工控協(xié)議實現(xiàn)程序的前提下，分析軟件程序中可能存在的漏洞，主要研究軟件或固件逆向解析、中間語言分析、模擬執(zhí)行數(shù)據(jù)流分析和智能缺陷識別等工控協(xié)議的靜態(tài)漏洞挖掘及分析技術(shù)。此外，通過分析工控協(xié)議實現(xiàn)程序的詞法、語法、語義，檢測軟件中存在的弱安全函數(shù)調(diào)用和缺陷代碼片段，并以中間表示語言為基礎(chǔ)，進一步分析函數(shù)控制流圖和模塊函數(shù)調(diào)用圖，挖掘電力工控協(xié)議實現(xiàn)過程中的安全漏洞[2-5]。但是，靜態(tài)分析方法未考慮外界因素對待測系統(tǒng)安全性的影響，因此可以通過研究電力工控協(xié)議脆弱性動態(tài)分析進一步挖掘電力工控協(xié)議漏洞。電力工控協(xié)議脆弱性動態(tài)分析技術(shù)是在待測系統(tǒng)實際運行的前提下，通過觀察待測系統(tǒng)執(zhí)行過程中程序的運行狀態(tài)、內(nèi)存使用狀況、寄存器的值以及協(xié)議數(shù)據(jù)處理情況等發(fā)現(xiàn)潛在問題。

1 電力工控協(xié)議脆弱性動態(tài)分析技術(shù)研究

針對電力工控協(xié)議實現(xiàn)的脆弱性，主要從兩個層面進行動態(tài)分析。系統(tǒng)層面，研究面向工控協(xié)議數(shù)據(jù)的動態(tài)污點分析技術(shù)，跟蹤工控協(xié)議數(shù)據(jù)流的傳播，針對特定的控制指令做出安全性斷言[6-7]。網(wǎng)絡(luò)層面，研究雙向Fuzzing測試技術(shù)，構(gòu)造模糊測試指令集，同時監(jiān)視協(xié)議服務(wù)器端和客戶端的測試過程和返回結(jié)果，以驗證待測系統(tǒng)協(xié)議實現(xiàn)的正確性[8-9]。通過分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)兩個層面的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了工控協(xié)議存在的安全漏洞。研究步驟如圖1所示。

圖1 電力工控協(xié)議脆弱性動態(tài)分析技術(shù)研究步驟

1.1 基于動態(tài)污點分析的工控協(xié)議動態(tài)漏洞挖掘

污點數(shù)據(jù)指來自不可信數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)或通過工控協(xié)議讀入的數(shù)據(jù)。利用動態(tài)污點分析技術(shù)挖掘工控協(xié)議漏洞的基本原理如下。工控系統(tǒng)運行過程中，監(jiān)控可以改變程序流程的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)往往來自可信的數(shù)據(jù)源。但是，如果攻擊利用協(xié)議漏洞修改了這些數(shù)據(jù)的值，便可以控制程序的運行。比如，跳轉(zhuǎn)指令（Jmp）的目的地址參數(shù)通常來自程序本身（即來源于可信的數(shù)據(jù)源），而非外部輸入數(shù)據(jù)（如通過工控協(xié)議傳入的數(shù)據(jù)）。然而，攻擊者可以利用工控協(xié)議實現(xiàn)過程中的漏洞，復(fù)寫跳轉(zhuǎn)指令的目的地址，從而實現(xiàn)控制工控系統(tǒng)運行流程的目的。

為了檢測引起工控系統(tǒng)運行流程異常的污點數(shù)據(jù)，需經(jīng)過標(biāo)識污點數(shù)據(jù)、監(jiān)控污點數(shù)據(jù)傳播路徑、判斷污點數(shù)據(jù)是否會引起系統(tǒng)異常三個步驟。如圖2所示，基于動態(tài)污點分析的工控協(xié)議動態(tài)漏洞挖掘與分析方法可以劃分為三個功能組件。

圖2 基于動態(tài)污點分析的工控協(xié)議動態(tài)漏洞挖掘與分析方法功能組件

1.1.1 指令識別與污點數(shù)據(jù)標(biāo)識組件

指令識別與污點數(shù)據(jù)標(biāo)識組件將來源于不可信的數(shù)據(jù)標(biāo)識為污點數(shù)據(jù)。因為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中可能包含多種攻擊向量，所以來源于網(wǎng)絡(luò)的工控協(xié)議數(shù)據(jù)默認(rèn)為不可信數(shù)據(jù)。此外，可以通過配置，將來源于文件和標(biāo)準(zhǔn)輸入的數(shù)據(jù)認(rèn)為是不可信數(shù)據(jù)。這是由于部分系統(tǒng)支持工控協(xié)議數(shù)據(jù)錄播和回放，此時包含攻擊向量的數(shù)據(jù)可能被文本化后輸入工控系統(tǒng)。

電力工控指令具有不同安全等級屬性。例如，與“讀”指令相比，“寫”指令往往會造成物理世界的變化，因此“寫”指令具有更高的安全性屬性。針對高安全屬性的指令，需要設(shè)置更多的檢測點，以便做出更加縝密的安全性斷言。此外，指令識別與污點數(shù)據(jù)標(biāo)識組件應(yīng)識別電力工控指令，標(biāo)識不同的安全屬性。

工控系統(tǒng)包括通用寄存器和堆棧在內(nèi)的存儲器，且每個字節(jié)對應(yīng)一個污點標(biāo)識結(jié)構(gòu)。如果不可信數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)，存儲空間對應(yīng)的污點標(biāo)識結(jié)構(gòu)被置位，信息就會被污點數(shù)據(jù)傳播路徑跟蹤模塊和安全性斷言模塊使用。

1.1.2 污點數(shù)據(jù)傳播路徑跟蹤組件

污點數(shù)據(jù)傳播路徑跟蹤組件，通過跟蹤每條X86指令的運行效果，決定污點數(shù)據(jù)的傳播路徑。

所有指令可以分為三類：

（1）數(shù)據(jù)移動指令，包括Load、Store、Move、Push、Pop等指令；

（2）數(shù)學(xué)運算指令，包括Add、Sub、Xor等指令；（3）無影響指令，包括Nop、Jmp等指令。

對數(shù)據(jù)移動指令而言，當(dāng)且僅當(dāng)源地址的數(shù)據(jù)為污點數(shù)據(jù)時，目的地址的數(shù)據(jù)被標(biāo)識為污點數(shù)據(jù)。對數(shù)學(xué)運算指令而言，如果任何一個源操作數(shù)為污點數(shù)據(jù)，運行結(jié)果就會被標(biāo)識為污點數(shù)據(jù)。對無影響指令而言，源操作數(shù)的污點屬性不會影響目的操作數(shù)的污點屬性。對數(shù)據(jù)移動指令和數(shù)學(xué)運算指令而言，因為立即數(shù)往往來自程序內(nèi)部，所以立即數(shù)被認(rèn)為是非污點數(shù)據(jù)。

為了跟蹤數(shù)據(jù)移動指令和數(shù)學(xué)運算指令，需要在每一條數(shù)據(jù)移動指令和數(shù)學(xué)運算指令之前或之后增加記錄指令，以修改源操作數(shù)或目的操作數(shù)的污點屬性。

1.1.3 安全性斷言組件

安全性斷言組件可判斷污點數(shù)據(jù)被非法使用，即污點數(shù)據(jù)被敏感指令或函數(shù)作為參數(shù)使用。敏感CPU指令/函數(shù)主要包括四類。

（1）跳轉(zhuǎn)指令，安全性斷言模塊檢測污點數(shù)據(jù)是否被用作調(diào)轉(zhuǎn)指令的目的地址，如返回地址、函數(shù)指針地址、函數(shù)指針偏移量等，而許多攻擊者試圖通過復(fù)寫上述地址實現(xiàn)操縱工控系統(tǒng)運行流程的目的。

（2）字符串格式化指令/函數(shù)，安全性斷言模塊檢測污點數(shù)據(jù)是否被用作字符串格式化指令/函數(shù)的參數(shù)。例如，污點數(shù)據(jù)被用作C庫中printf函數(shù)的參數(shù)，而攻擊者通常試圖利用惡意參數(shù)控制字符串格式化指令/函數(shù)，并將特定的數(shù)據(jù)寫入特定的地址。

（3）系統(tǒng)調(diào)用，安全性斷言模塊檢測污點數(shù)據(jù)是否被用作關(guān)鍵系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)。例如，Linux系統(tǒng)的execve系統(tǒng)調(diào)用，而攻擊者可以通過復(fù)寫execve的參數(shù)實現(xiàn)加載指定程序的目的。

（4）應(yīng)用接口，通過配置可以使安全性斷言模塊檢測污點數(shù)據(jù)是否被用作特定應(yīng)用程序接口的參數(shù)。為了增強系統(tǒng)的功能，電力工控系統(tǒng)的上位機軟件往往會留有第三方開發(fā)接口，故此類應(yīng)用程序接口成為了攻擊者發(fā)動攻擊的首要目標(biāo)。

上述的每一類敏感CPU指令和函數(shù)都附有安全等級標(biāo)簽，且安全等級標(biāo)簽與電力工控指令的安全屬性相對應(yīng)。如果高安全屬性的電力工控指令被用作高安全等級標(biāo)簽的CPU指令和函數(shù)參數(shù)，就會做出帶有警告的安全性斷言。

1.2 基于文法模糊測試的工控協(xié)議動態(tài)漏洞挖掘

針對電力工控系統(tǒng)的Fuzzing測試框架，如圖3所示。首先，將電力工控協(xié)議抽象為協(xié)議結(jié)構(gòu)描述。其次，安全協(xié)議的結(jié)構(gòu)描述生成模糊測試數(shù)據(jù)集，且模糊測試數(shù)據(jù)集在測試引擎的調(diào)度下，通過測試代理向被測系統(tǒng)發(fā)送變異的協(xié)議數(shù)據(jù)包。最后，被測系統(tǒng)的狀態(tài)通過目標(biāo)監(jiān)控反饋給測試引擎，以指導(dǎo)后續(xù)的調(diào)度策略。

圖3 面向電力工控系統(tǒng)Fuzzing測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）協(xié)議結(jié)構(gòu)識別

協(xié)議結(jié)構(gòu)識別主要通過智能算法，結(jié)合生物信息學(xué)思想和電力工控協(xié)議的結(jié)構(gòu)，提取數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中的常量，并標(biāo)注包的數(shù)據(jù)區(qū)域，生成協(xié)議結(jié)構(gòu)描述，從而逐步完善協(xié)議的語義結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。

協(xié)議結(jié)構(gòu)識別的過程主要包括以下幾點。首先采用類型匹配，即提取不同網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)文件（PCAP）中同類型的報文序列，并將其作為一個報文組。其次，多序列比對報文組合，并分離不變域和可變域，以初步劃分報文域。最后，識別報文區(qū)域，進一步得到ANSII字符串域，從而生成較準(zhǔn)確的報文格式和測試數(shù)據(jù)。具體過程如圖4所示。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)報文進行協(xié)議結(jié)構(gòu)識別

（2）測試數(shù)據(jù)生成

在理解和解釋目標(biāo)應(yīng)用輸入數(shù)據(jù)的協(xié)議規(guī)約和文件定義基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個描述協(xié)議規(guī)約如何工作的文法，并根據(jù)文法生成測試數(shù)據(jù)。然后，測試協(xié)議中最有可能引起異常的部分，且完成針對指令級的安全脆弱性測試。

一般情況下，除測試用例執(zhí)行外，F(xiàn)uzzing測試包括協(xié)議解析、測試用例生成、異常捕獲和定位三個步驟，如圖5所示。協(xié)議解析是通過公開資料或者分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，理解待測協(xié)議的層次、包字段結(jié)構(gòu)、會話過程等信息，為后續(xù)測試用例的生成打下基礎(chǔ)。測試用例生成依據(jù)上階段整理的字段結(jié)構(gòu)，采用變異的方式生成畸形測試用例，并發(fā)送給待測對象。異常捕獲和定位是通過多種探測手段發(fā)現(xiàn)由測試用例觸發(fā)的異常，且保存異常數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)異常的定位和重現(xiàn)提供依據(jù)。

圖5 Fuzzing測試的通用流程

實踐中，采用基于文法的Fuzzing測試用例生成技術(shù)，極大地降低了測試用例的數(shù)量，提高了測試效率。

（3）測試引擎

目前，電力工控系統(tǒng)中，PLC、RTU、DCS扮演的角色是協(xié)議Server端，而中心站充當(dāng)協(xié)議Client端。測試引擎用于調(diào)用程序，并可手動設(shè)置測試模式，測試Client端和Server端，或者同時雙向測試Client端和Server端。此外，它可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)包自動識別Client端和Server端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并自動調(diào)節(jié)調(diào)用的程序模塊，實現(xiàn)Client端和Server端的雙向自動化測試。

測試引擎根據(jù)被測系統(tǒng)的不同，自適應(yīng)選擇測試數(shù)據(jù)調(diào)度策略。測試數(shù)據(jù)調(diào)度策略包括順序調(diào)度、隨機調(diào)度、代碼覆蓋率優(yōu)先調(diào)度等。此外，針對電力工控協(xié)議的特點，設(shè)計基于電力工控協(xié)議狀態(tài)機的調(diào)度算法，優(yōu)化雙向測試的效率。

（4）測試代理

測試代理用于調(diào)用程序監(jiān)控模塊、日志模塊、分析模塊等，并調(diào)整不同的被測系統(tǒng)，記錄、分析測試過程中的日志。如果被測系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則停止相應(yīng)的模塊調(diào)用。

（5）測試目標(biāo)監(jiān)控

測試目標(biāo)監(jiān)控用于分析錯誤現(xiàn)場保持、異常定位和漏洞類型。錯誤現(xiàn)場保持指如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則立即停止測試，并保持異常情況的現(xiàn)場。異常定位是通過多種探測手段發(fā)現(xiàn)由測試用例觸發(fā)的異常，保存異常相關(guān)數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)異常的定位和重現(xiàn)提供依據(jù)。漏洞類型是根據(jù)測試的異常情況和導(dǎo)致此異常的測試用例初步分析漏洞類型。

2 結(jié) 論

本文針對電力工控協(xié)議動態(tài)脆弱性分析的研究，可應(yīng)用于電力工控系統(tǒng)的常態(tài)脆弱性分析和攻擊滲透工作。此外，將系統(tǒng)的安全威脅分析與電力工控實際業(yè)務(wù)深度結(jié)合，深層次識別系統(tǒng)協(xié)議層面的安全威脅，對實現(xiàn)電力工控系統(tǒng)規(guī)約和指令級的安全防護具有重要的指導(dǎo)意義。