0 引言

    工業(yè)控制系統(tǒng)(Industrial Control Systems，ICS)是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，ICS的安全直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的穩(wěn)定和國家安全。與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著大量的私有非標(biāo)準(zhǔn)非公開協(xié)議^[1]，而通信協(xié)議作為工控設(shè)備間信息交互的基礎(chǔ)，其安全性是工控系統(tǒng)安全的重要組成部分，研究工控協(xié)議解析技術(shù)對提高工業(yè)控制系統(tǒng)安全性具有重要意義。

    傳統(tǒng)的協(xié)議逆向分析方法需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。目前，協(xié)議自動(dòng)化逆向解析領(lǐng)域主要有兩種方法：一種是基于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文序列分析的方法，另一種是基于程序執(zhí)行軌跡的方法?；诰W(wǎng)絡(luò)報(bào)文序列分析的方法對于文本協(xié)議處理效果比較好，但是缺乏針對性對協(xié)議的語義分析^[2]，尤其在面對工業(yè)控制環(huán)境中普遍存在的多層封裝的應(yīng)用層協(xié)議時(shí)有些力不從心；而基于執(zhí)行軌跡方法以動(dòng)態(tài)二進(jìn)制程序分析為基礎(chǔ)，包括Polyglot、AutoFormat、Tupni、Prospex等方法，這些方法要求樣本的覆蓋率，需要對程序反復(fù)地運(yùn)行調(diào)試^[3]，但調(diào)試過程中對代碼的直接修改嚴(yán)重破壞了工控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，雖然這種方法解析結(jié)果更為準(zhǔn)確，但并不適合工業(yè)控制系統(tǒng)要求高穩(wěn)定、高實(shí)時(shí)的實(shí)際情況。

    針對以上問題，本文提出了一種基于靜態(tài)二進(jìn)制分析的工控協(xié)議解析方法，此方法以只讀的方式訪問二進(jìn)制文件，既能獲取協(xié)議語義，又能保證不破壞工控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分析的結(jié)果除提供協(xié)議信息以外，還可以在通信協(xié)議健壯性測試平臺(tái)中作為fuzzing測試模塊的輸入，解決普通的fuzzing系統(tǒng)在面對私有協(xié)議時(shí)無法有針對性地構(gòu)造測試樣本的問題。

1 總體設(shè)計(jì)

    本文將此工控協(xié)議解析方法作為工業(yè)控制系統(tǒng)健壯性測試平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)來加以介紹，協(xié)議健壯性測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    當(dāng)今的ICS中越來越廣泛地使用了基于x86平臺(tái)的Windows操作系統(tǒng)，故本文中的方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)主要針對Windows操作系統(tǒng)，反匯編引擎使用Hex-Rays公司的IDA Pro。IDA Pro是一款強(qiáng)大的靜態(tài)二進(jìn)制分析工具，能夠提供功能豐富的IDC函數(shù)庫(IDA Pro的一種原生腳本語言)和軟件開發(fā)包(Software Development Kit，SDK)^[4]。

    協(xié)議解析子系統(tǒng)主要包括以下子模塊：文件掃描子模塊、協(xié)議提取子模塊和格式化處理子模塊。其中，協(xié)議解析模塊包括數(shù)據(jù)預(yù)處理階段、交叉引用分析階段、協(xié)議幀重構(gòu)階段、語義提取階段；格式化處理模塊的輸出既可以作為測試平臺(tái)模糊測試模塊的輸入，為模糊測試樣本數(shù)據(jù)的構(gòu)造提供參考，又可以作為測試平臺(tái)交互模塊的輸入，為用戶提供圖形化的結(jié)果展現(xiàn)。協(xié)議解析模塊的子模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 文件掃描模塊

    掃描模塊的掃描目標(biāo)是組態(tài)軟件等運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)的工控軟件。通常，工控軟件體積較為龐大，由眾多功能模塊構(gòu)成，但協(xié)議分析只需要其中的通信模塊，對ICS軟件的所有功能模塊執(zhí)行協(xié)議解析算法不但會(huì)增加時(shí)間開銷，也會(huì)降低分析的準(zhǔn)確度。掃描模塊的主要作用就是定位協(xié)議分析的對象，為協(xié)議分析模塊過濾掉與通信無關(guān)的操作。

    文件掃描子模塊有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是遠(yuǎn)程掃描，掃描進(jìn)程運(yùn)行于測試平臺(tái)，通過遠(yuǎn)程讀取工程師站或操作員站上的ICS軟件可執(zhí)行文件并進(jìn)行分析來實(shí)現(xiàn)過濾操作；另一種是以硬件插卡的方式通過USB接口在工控機(jī)本地執(zhí)行掃描進(jìn)程，并收集掃描結(jié)果反饋給測試平臺(tái)。這兩種實(shí)現(xiàn)方式的區(qū)別在于掃描進(jìn)程的運(yùn)行位置不同，遠(yuǎn)程掃描對工控機(jī)沒有性能影響，但需要工控機(jī)打開文件訪問權(quán)限；本地掃描在掃描過程中可能會(huì)占用一定的CPU時(shí)間，但不需要額外的權(quán)限，其具體差異如表1所示。

    以上兩種實(shí)現(xiàn)方法在算法本質(zhì)上是沒有區(qū)別的，都是通過讀取動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynami Link Library，DLL）文件的導(dǎo)入表和導(dǎo)入函數(shù)表來查找和預(yù)測DLL涉及到的操作。一般來講，涉及到TCP協(xié)議通信則需要導(dǎo)入WS2_32.dll中的send和recv函數(shù)，UDP協(xié)議則需要導(dǎo)入WS2_32.dll中的sendto和recvfrom函數(shù)^[5]，通過掃描模塊搜索到的某協(xié)議通信模塊的導(dǎo)入表以及導(dǎo)入函數(shù)如圖3所示。另外，通過掃描并過濾WriteFile等系統(tǒng)調(diào)用還可以找到ICS軟件自己封裝的一些發(fā)包和封包函數(shù)，通過這些函數(shù)還可以解析那些不基于TCP/IP的工控協(xié)議，如基于COM串口的工控協(xié)議，這是基于網(wǎng)絡(luò)流量的協(xié)議分析方法無法做到的。

3 協(xié)議提取模塊

    協(xié)議解析模塊基于IDA Pro的IDC腳本和SDK來實(shí)現(xiàn)，以IDA腳本或IDA插件的形式提供協(xié)議解析服務(wù)。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

    ICS使用的軟件種類繁雜，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上也是千差萬別，有些廠商在設(shè)計(jì)軟件時(shí)并沒有嚴(yán)格地遵循模塊化設(shè)計(jì)的原則，軟件通信模塊沒有獨(dú)立地封裝在DLL中，而是與其他的功能代碼混雜在一起放入DLL，甚至分散在多個(gè)DLL中。數(shù)據(jù)預(yù)處理針對這種情況，通過讀取IDA Pro反匯編后的匯編代碼，對DLL中的函數(shù)進(jìn)行標(biāo)記處理，剔除與通信過程無關(guān)的函數(shù)。對于無法確定的函數(shù)，則選擇保留處理。

    篩選算法同時(shí)使用兩種標(biāo)準(zhǔn)，第一種標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)是向上的代碼交叉引用，利用了函數(shù)調(diào)用的層次結(jié)構(gòu)；第二種標(biāo)準(zhǔn)的思想源自于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制逆向分析中常用的污點(diǎn)算法，經(jīng)過修改后基于數(shù)據(jù)交叉引用實(shí)現(xiàn)，用于此處的靜態(tài)二進(jìn)制分析場景^[6]。

    定義 二元組f(N，F(xiàn))表示DLL中的一個(gè)函數(shù)，其中，N為函數(shù)名，F(xiàn)為標(biāo)記，取值從UNKNOW、STAY、DELETE中枚舉。

    篩選算法的基本流程如下：

    (1)將目標(biāo)DLL中的函數(shù)(包括DllMain、導(dǎo)出函數(shù)和內(nèi)部函數(shù))f加入到函數(shù)集合S中初始的標(biāo)記F均為DELETE。

    (2)使用第一種標(biāo)準(zhǔn)，以發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包的函數(shù)地址為底層起點(diǎn)，使用IDC函數(shù)Rfirst和Rnext訪問其所有的引用函數(shù)f_n(N，F(xiàn))，并將f_n(N，F(xiàn))的標(biāo)記F置為STAY。

    (3)迭代執(zhí)行步驟(2)，直至所有引用了起點(diǎn)函數(shù)的函數(shù)標(biāo)記均被置為STAY。

    (4)使用第二種標(biāo)準(zhǔn)，以步驟(2)中底層函數(shù)的參數(shù)中使用的內(nèi)存緩沖區(qū)為污點(diǎn)源，逆序搜索被標(biāo)記為污點(diǎn)的內(nèi)存區(qū)域的訪問位置，如果有f_n(N，F(xiàn))中引用了污點(diǎn)內(nèi)存區(qū)域，則將f_n(N，F(xiàn))的標(biāo)記F置為STAY；如果代碼中存在以污點(diǎn)內(nèi)存為左值的賦值操作，則將作為右值的內(nèi)存區(qū)域也標(biāo)記為污點(diǎn)內(nèi)存，并記錄污點(diǎn)傳播的關(guān)系，系統(tǒng)為S中的每個(gè)f_n(N，F(xiàn))維護(hù)一個(gè)污點(diǎn)關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)func_pollut，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容如表2所示；如果函數(shù)f_n(N，F(xiàn))沒有顯示地引用污點(diǎn)內(nèi)存區(qū)域且其引用的其他內(nèi)存位置無法直接判斷是否與污點(diǎn)內(nèi)存有關(guān)，則將f_n(N，F(xiàn))的標(biāo)記F置為UNKNOW。

    (5)迭代執(zhí)行步驟(4)。枚舉集合S中的函數(shù)，刪除所有標(biāo)記F為DELETE的函數(shù)元素，此時(shí)的集合S則為待處理的目標(biāo)集合。

3.2 交叉引用分析

    從軟件逆向工程的角度來看，被不同的上層函數(shù)引用次數(shù)越多的底層函數(shù)通用性越好，封裝程度越高，在設(shè)計(jì)協(xié)議封裝和解析的軟件模塊中，則往往表現(xiàn)為在函數(shù)中處理了某一類通用性較強(qiáng)的幀結(jié)構(gòu)，比如攜帶數(shù)據(jù)載荷的幀和心跳幀；而被不同的上層函數(shù)引用次數(shù)較少，甚至僅在某一處有過引用的函數(shù)，在協(xié)議封裝和解析的軟件模塊中往往完成一些連接建立、通信對端認(rèn)證等控制類的操作，這一類幀屬于控制幀。

    協(xié)議解析系統(tǒng)在交叉引用分析階段的主要工作是調(diào)用IDC函數(shù)獲取交叉引用信息并將信息歸類存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)func_info中，某協(xié)議的函數(shù)依賴關(guān)系如圖4所示。通過對獲得的引用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來推斷函數(shù)類型，并將推斷結(jié)果作為協(xié)議幀分類階段的輸入。結(jié)構(gòu)func_info的內(nèi)容如表2所示。

    函數(shù)類型推斷使用的分界值與協(xié)議的復(fù)雜度有關(guān)，一般來說，與控制幀相關(guān)的函數(shù)與底層函數(shù)間的距離短，被調(diào)用的次數(shù)少，調(diào)用底層函數(shù)的次數(shù)多。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，具體的分界點(diǎn)取值為距底層函數(shù)的距離為2、被調(diào)用次數(shù)為1、調(diào)用底層函數(shù)次數(shù)為3～5時(shí)，系統(tǒng)具有較高準(zhǔn)確度，系統(tǒng)在此處預(yù)留配置接口，用戶可以根據(jù)協(xié)議復(fù)雜度指定分界點(diǎn)取值。另外，通過IDA Pro自帶的WinGraph32應(yīng)用程序系統(tǒng)可以獲得較為直觀的函數(shù)依賴圖形，依賴圖直接作為模塊的一項(xiàng)輸出結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，用戶可以根據(jù)自己的判斷為系統(tǒng)指定重點(diǎn)分析的模塊或校正系統(tǒng)的推測結(jié)果，提高解析精準(zhǔn)度。

3.3 協(xié)議幀重構(gòu)

    協(xié)議幀重構(gòu)階段以前兩個(gè)階段中獲得的函數(shù)依賴關(guān)系和對函數(shù)類型的推定為參考，判斷函數(shù)代碼特征，對目標(biāo)協(xié)議中存在的幀進(jìn)行重構(gòu)與分類。算法中涉及到的函數(shù)代碼特征主要包括距底層函數(shù)的距離是否為1、是否存在較多的幻數(shù)賦值操作、是否定長等。一個(gè)典型的控制幀組幀操作如圖5所示，可以看到明顯存在較多的幻數(shù)賦值操作。

    幀重構(gòu)的算法流程如下：

    (1)將幀集合A初始化為空集，將函數(shù)集合S中標(biāo)記F為STAY和UNKNOW的函數(shù)按照上一階段獲取的func_info結(jié)構(gòu)的route_len域值升序排列，存儲(chǔ)到順序表D中。

    (2)從順序表D中取出一個(gè)函數(shù)f_n(N，F(xiàn))，如果f_n(N，F(xiàn))的函數(shù)距為1，檢查底層函數(shù)調(diào)用參數(shù)，并在本函數(shù)的代碼中檢索緩沖區(qū)長度參數(shù)的數(shù)據(jù)引用，如果緩沖區(qū)長度為定值，且該值與集合A中所有定長幀的幀長都不相同，則創(chuàng)建一個(gè)定長幀，幀長度為緩沖區(qū)長度，并將該幀加入到集合A中。

    (3)如果步驟(2)中無法確定緩沖區(qū)長度為定值，則創(chuàng)建一個(gè)不定長幀，將該幀加入到集合A中。

    (4)針對步驟(2)或步驟(3)中新加的幀，從底層函數(shù)調(diào)用地址處向上檢索代碼，直至函數(shù)頭或另一次底層函數(shù)調(diào)用，對所有的幻數(shù)賦值操作，直接將字段長度和幻數(shù)值記錄到新加的幀的對應(yīng)結(jié)構(gòu)中；對于變量賦值操作，記錄字段長度后字段值暫時(shí)以符號代替。統(tǒng)計(jì)幻數(shù)賦值數(shù)量H和變量賦值數(shù)量B，如果H>2B，則將此幀標(biāo)記為控制幀，否則標(biāo)記為數(shù)據(jù)幀。

    (5)如果f_n（N，F(xiàn)）的函數(shù)距不為1，檢索函數(shù)代碼，記錄所有的對污點(diǎn)內(nèi)存區(qū)塊的幻數(shù)賦值操作，檢索完畢后訪問其func_pollut結(jié)構(gòu)，通過污染源所在的函數(shù)編號在集合A中檢索對應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，并以幻數(shù)值替代幀結(jié)構(gòu)中相應(yīng)位置的符號。

    (6)重復(fù)執(zhí)行步驟(2)，直到順序表D中的所有函數(shù)均被訪問。

    算法執(zhí)行完畢后，集合A中的幀即是經(jīng)過初步構(gòu)造后的協(xié)議幀，此時(shí)的幀結(jié)構(gòu)記錄了初步字段結(jié)構(gòu)和常量字段值。

3.4 語義提取

    協(xié)議的語義信息主要包括分隔符、關(guān)鍵字、校驗(yàn)域、長度域、指示域等，通過檢索處理協(xié)議幀的字段的二進(jìn)制代碼是否存在相關(guān)的特征，可以提取到協(xié)議幀的語義信息[7]。例如：校驗(yàn)域通常伴隨著大量的移位運(yùn)算；關(guān)鍵字和分隔符會(huì)涉及到常量賦值操作，它們的主要區(qū)別在于關(guān)鍵字通常為一般數(shù)據(jù)，分隔符的值通常可以映射成ASCII表中的的特定字符；長度域也會(huì)涉及到常量賦值操作，但對于同一類幀結(jié)構(gòu)來說，不同的調(diào)用點(diǎn)常量值一般不同。

    對于一些無法提取比較顯著的特征的代碼段，系統(tǒng)選擇的策略是直接提取相關(guān)的二進(jìn)制代碼，轉(zhuǎn)儲(chǔ)到文件后在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中記錄該二進(jìn)制代碼段與對應(yīng)的協(xié)議字段的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.5 格式化處理

    以上過程處理得到的協(xié)議格式有可能存在冗余，同一種變長幀由于個(gè)別字段值不同而被記錄為兩種或多種幀，另外，幀之間的邏輯關(guān)系信息也不完整。在格式化處理模塊，系統(tǒng)通過比對集合中幀的已知語義來實(shí)現(xiàn)去冗余，不定長幀之間雖然長度和某些字段值不完全相同，但只要通過語義對比發(fā)現(xiàn)已知語義重復(fù)率超過閥值，就判定兩種幀應(yīng)是同一種幀，對二者執(zhí)行合并操作。

    最后，系統(tǒng)通過對集合中的幀進(jìn)行格式化處理，將協(xié)議信息以一種標(biāo)準(zhǔn)的格式輸出到結(jié)果文件。模糊測試模塊通過讀取文件獲取協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和語義等信息，并針對協(xié)議結(jié)構(gòu)構(gòu)造測試用例。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

    協(xié)議解析系統(tǒng)的主體部分、語義提取和格式化處理通過C語言實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)預(yù)處理和交叉引用分析通過IDC腳本實(shí)現(xiàn)，協(xié)議幀重構(gòu)通過C語言調(diào)用IDA Pro SDK實(shí)現(xiàn)。

    在實(shí)驗(yàn)中，將獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)應(yīng)用于分析組態(tài)王軟件提供的某私有協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序，成功獲取了部分協(xié)議格式，利用得到的協(xié)議格式可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的簡單互通，證明了方法的正確性和有效性。經(jīng)解析，該協(xié)議在連接建立時(shí)考慮了協(xié)議版本的識(shí)別，實(shí)驗(yàn)分析得到的協(xié)議幀如圖6所示。

    另外，在對某DCS系統(tǒng)進(jìn)行滲透測試的項(xiàng)目中，本協(xié)議解析系統(tǒng)作為協(xié)議健壯性測試平臺(tái)的一個(gè)模塊，為模糊測試模塊提供了參考。模糊測試模塊以協(xié)議解析系統(tǒng)的輸出作為輸入，根據(jù)解析結(jié)果，針對此DCS系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議生成了80組測試用例，在測試過程中多次造成了目標(biāo)系統(tǒng)的通信異常，證明了該方法的實(shí)用性。模糊測試結(jié)果示例如圖7所示，圖中的曲線為系統(tǒng)心跳幀攜帶的正弦數(shù)據(jù)流，測試開始后可明顯觀測到心跳幀發(fā)生中斷和錯(cuò)序。

5 結(jié)束語

    本文介紹了一種通信協(xié)議逆向解析方法，該方法結(jié)合靜態(tài)二進(jìn)制代碼分析工具，將動(dòng)態(tài)污點(diǎn)算法思想應(yīng)用于靜態(tài)二進(jìn)制分析過程，實(shí)現(xiàn)了對工控協(xié)議的逆向解析并為模糊測試提供了參考，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方法的有效性。該方法具有對被測系統(tǒng)影響小、針對性較強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于工業(yè)控制環(huán)境，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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作者信息:

魏  驍，劉仁輝，許鳳凱 

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）