深度：震网病毒的秘密（一）

引子：看到litdg翻译的《震网的秘密兄弟（一）》 感觉有些地方跟我想象的不一样，所以在litdg兄的基础上就行了更新，我是搞工业自动化的，恰巧阴差阳错的跟信息安全有了些交集，所以以ICS（工业控制系统）的视角，来阐述我对原文的理解。 真正用来破坏伊朗核设施的震网病毒，其复杂程度超出了所有人的预料。 作为第一个被发现的网络攻击武器，震网病毒在被发现后三年来仍然困扰着军事战略家、信息安全专家、政治决策者和广大公众。围绕震网病毒的分析主要有：（1）它是如何攻击位于Natanz的伊朗核设施的？（2）它是如何隐藏自己的？（3）它是如何违背开发者的期望并扩散到Natanz之外的？但是这些分析的主要内容要么是错误的要么是不完整的。 因为，震网病毒并不是一个而是一对。大家的注意力全都关注着震网病毒的“简单功能”，即该功能用来改变铀浓缩的离心机转速，而另外一个被忽视的功能是却是更加的复杂和隐秘的。这一“复杂功能”对于了解ICS（IndustrialControl System的简称）信息安全的人来说简直是梦魇，奇怪的是“复杂功能”竟然先于“简单功能”出现。“简单功能”在几年后才出现，不久即被发现。 随着伊朗的核计划成为世界舆论的中心，这有利于我们更清晰的了解通过程序来尝试破坏其核计划。震网病毒对于伊朗核计划的真实影响并不确定，因为到底有多少控制器真正的被感染，并不清楚，没有这方面的消息。但是不管怎样，通过深入的分析我们可以知道攻击者的意图、以及如何实现意图。我在过去的三年里对震网病毒进行分析，不但分析其计算机代码，还有被攻击工厂中采用的硬件设备以及核工厂的操作流程。我的发现如下全景图所示，它包含震网病毒的第一个不为人知的变种（“复杂功能”），这一变种需要我们重新评估其攻击。事实上这一变种要比公众所认知的网络武器危险的多。 2007年有人在计算机信息安全网站VirusTotal上提交了一段代码，后来被证实是震网病毒的第一个变种（“复杂功能”），至少是我们已知的第一个。对于第一个震网病毒变种，在五年后（2012）大家基于震网病毒的第二个变种（“简单功能”）的了解基础上，才意识到这是震网病毒。如果没有后来的“简单功能”版本，老的震网病毒（“复杂功能”）可能至今沉睡在反病毒研究者的档案中，并且不会被认定为历史上最具攻击性的病毒之一。今天，我们已经知道， 拥有“复杂功能”的震网病毒包含一个payload，该payload可以严重的干扰位于Natanz的铀浓缩工厂中的离心机保护系统。 后来的震网病毒，被大家熟知的那个“简单功能”版，控制离心机的转速，通过提高其转速而起到破坏离心机的效果。老版本的震网病毒（“复杂功能”）其Payload采用了不同的策略，它用来破坏用于保护离心机的Safe系统。（译者注：工控系统中通常会部署Safe系统，当现场的控制器和执行器出现异常的时候，该Safe系统会运行，紧急停车防止事故发生。而本文论述的震网病毒“复杂功能”版，将Safe系统也攻陷了。震网病毒的“简单功能”版在没有“复杂功能”的配合下是不能够损坏离心机的，因为离心机的转速不正常的情况下，Safe系统就会工作，会停止离心机的运转，这样伊朗的技术人员能够迅速的发现震网病毒。只有Safe系统也被破坏的情况下，震网病毒的“简单功能”才能够随意的控制离心机的转速。当然伊朗的Safe系统与工业现场的传统意义上的Safe系统有所不同，该Safe系统可以说是辅助系统，因为其离心机质量不过关，必须通过该Safe系统保证整体系统的正常运转。工业现场中很重要的一点是连续长时间的稳定运行）Safe系统通常部署在发生异常的条件下，可能导致设备毁坏或生命财产损失的地方。在Natanz，我们看见一个特殊的安全保护系统，通过它的部署可以使得过时且不可靠的离心机型号“IR-1”持续的运转。安全保护系统是伊朗核计划的关键组成部分，如果没有它，离心机IR-1几乎无用。   IR-1离心机是伊朗铀浓缩的根基。它可以追溯到从20世纪60年代末由欧洲设计，70年代初被窃取，并被巴基斯坦的核贩子A.Q.Khan稍稍改进。全金属设计的IR-1是可以稳定的运行的，前提是其零件的制造具有一定精度，并且关键组件例如高质量频率转换器和恒力矩驱动质量很高。但是伊朗人并未设法从过时的设计中获取更高的可靠性。因此他们不得不降级离心机的运行压力在Natanz工厂。较低的运行压力意味着对转子的机械压力变小，这样离心机转子损坏就会降低，从而减少了由于转子损坏而使得离心机离线的数量。但是较小的工作压力意味着较少的产出，因而效率较低。IR-1离心机在最佳情况下，只能达到其最高产能的一半。   这种不可靠和低效率的IR-1型离心机，对于伊朗来说有一个显而易见的有点，伊朗可以大规模的制造生产。伊朗通过数量来弥补不稳定性和低效率，他们能够接受在运行过程中一定数量的离心机损坏，因为他们制造离心机的速度比离心机损坏的速度要快多了。但是要想让所有的离心机工作，伊朗需要下一番功夫。通常，离心处理操作是一个严苛的工业流程，在流程运行过程中，它不可以存在任何的问题，甚至连小型设备的问题也不可以。伊朗建立了一套级联保护系统（译者：类似于Safe系统），它用来保证离心流程持续进行，即使离心机坏掉。 在离心机层，级联保护系统在每个离心机上安装了三个截止阀。通过关闭这些阀门，运行出故障的离心机可以从现有的系统上隔离出来。隔离后的离心机可以停机并被维护工程师替换，而工艺流程仍然正常运行。 上图是2008年，当时的总统艾哈迈迪.内贾德在Natanz的控制室观看SCADA的场景。面对摄影师的屏幕显示两个离心机已经被隔离，提示存在问题，但这并没有影响整个工艺流程的持续运行。（红色高亮显示的是有问题的离心机） 但是这种隔离阀的解决方案也导致了许多问题。当基于不可靠的离心机运行时，离心机会经常被关闭，当同组的离心机已经被隔离的情况下，维护工程师可能没有机会替换另一个刚刚毁坏的离心机（译者注：通常工业现场采用冗余，因此伊朗也很可能采用了离心机的冗余策略，即一个坏掉，可以马上切换到另外一个使其工作，问题他们的离心机太脆弱，会出现两个都坏了的情况。）如果同一个组中的离心机都停机了，运行压力（使用离心机进行铀浓缩过程中非常敏感的参数）将会升高，从而导致各种各样的问题。 伊朗人发现了一个很有创造力的解决方案来处理这一问题，在每一个铀浓缩组里，都安装了一个排气阀门，当同一组中的多个离心机停机被隔离时，随着压力的升高，该排气阀门可以排气并降低压力。在每一个离心处理组中，压力有传感器检测，如果压力超过限值，排气阀门就会被打开，降低压力。 这一系统可以保证Natanz的离心机运转，但是这也让它陷入了可能被远程网络攻击的泥潭，有时候会让人怀疑涉及这个系统的人是不是头脑混乱。 Nataz的级联保护系统基于西门子的S7-417系列工业控制器，这些控制器用来操控每个离心机上的阀门和压力传感器，共6组164台离心机。控制器可以被理解成一个嵌入式计算机系统，它直接连接物理设备，例如阀门。震网病毒被设计用来感染这些控制器，然后以用户难以想象的方式取得控制权，这种情况从来没有在ICS相关的会议上讨论过。 感染了震网病毒的控制器从真实的物理层断开了，合法的控制逻辑变成了震网病毒想让他展现的样子（译者注：就是控制器不在控制具体的物理信号和物理设备，仅仅是对上层应用程序提供一个看上去它还在正常工作的假象而已。）在攻击序列执行前（大概每个月执行一次），病毒代码能够给操作员展示物理现场正确的数据。但是攻击执行时，一切都变了。 震网病毒变种的第一步是隐藏其踪迹，采用了来自好莱坞的策略。震网病毒以21秒为周期，记录级联保护系统的传感器数据，然后在攻击执行时以固定的循环重复着21秒钟的传感器数据。在控制室，一切看起来都正常（译者注：因为攻击执行时，被感染的控制器重复的向控制室的监控中心发送的是正常的21秒周期传感器数据，所以监控中心完全发现不了。），既包括操作员也包括报警系统。 然后震网病毒开始其真正的工作，它首先关闭位于前两组和最后两组离心处理的隔离阀。阻止了受影响的级联系统的气体流出，从而导致其他的离心机压力提升。压力的增加将导致更多的六氟化铀进入离心机,给转子更高的机械应力。最终,压力可能会导致气体六氟化铀固化,从而严重损害离心机。 这种攻击一直持续到攻击者认为达到目的为止，根据监控到的离心机的工作状态而定。如果他们是为了毁灭性的破坏，那么很简单。在Nataz的案例中，一个控制器控制的气体固化可以轻易损坏上百台离心机。听起来这个目标非常有价值，但它也会暴露攻击者。伊朗的工程师在后期的分析中可以轻易的找到事故发生的原因。这次攻击的实现过程中，攻击者密切监视运行的压力和离心机的状态表明，他们小心翼翼的避免毁灭性的损坏。增大运行压力的方式看起来更像是为了让转子寿命更短一些。 不管怎样，攻击者非常谨慎的实施了这次攻击。攻击的代码设计如此精细，因为细小的改变或者配置错误都可能带来很大的影响，甚至导致程序崩溃，一旦崩溃，就会被伊朗的工程师发现从而暴露行踪。 这次过压的攻击结果也是未知的。不管是什么，在2009年的时候，攻击者决定尝试一些新的东西。

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