CVE-2021-22779：Modicon PLC 中的 RCE 分析
字数 2135 2025-08-05 08:19:04

Modicon PLC 中的 RCE 漏洞分析 (CVE-2021-22779)

漏洞概述

CVE-2021-22779 是 Schneider Electric Modicon PLC 中的一个严重身份验证绕过漏洞，允许攻击者绕过 PLC 的安全机制，导致远程代码执行(RCE)。该漏洞与 Modbus 协议和 UMAS 协议的设计缺陷相关，影响 Modicon M340 和 M580 PLC 的最新固件版本。

受影响组件

  • 受影响设备: Modicon M340 和 M580 PLC
  • 相关协议: Modbus/TCP 和 UMAS 协议
  • 相关CVE:
    • CVE-2021-22779 - 通过 UMAS 命令 MemoryBlockRead 的身份验证绕过
    • CVE-2018-7852 - 通过 UMAS 命令 PrivateMessage 的 RCE
    • CVE-2019-6829 - 通过 UMAS 命令 WritePhysicalAddress 的任意内存写入
    • CVE-2020-7537 - 通过 UMAS 命令 ReadPhysicalAddress 的任意内存读取

技术背景

Modbus 协议

Modbus 是 SCADA 系统中控制 PLC 的实际标准协议，最初由 Modicon 于1979年发布。Modbus/TCP 是其IP版本，但设计老旧，缺乏现代安全功能如加密和身份验证。

UMAS 协议

UMAS(Unified Messaging Application Services)是 Modicon 在 Modbus 基础上扩展的专有协议，增加了:

  • 身份验证机制
  • 二进制数据传输
  • 固件更新等功能

UMAS 重新实现了标准 Modbus 命令并添加了专有命令，如 MemoryBlockWrite(功能码 0x21)。

漏洞详细分析

UMAS 预定机制

Modicon PLC 使用预定机制来同步PLC程序的修改:

  1. 基本预定机制(早期版本):

    • 使用功能码 0x10 的 UMAS 命令
    • 依赖硬编码共享密钥
    • 无身份验证或挑战-响应握手

  2. 增强预定机制(改进版本):

    • 使用功能码 0x6E 的 UMAS 命令
    • 基于共享密码(应用程序密码)的挑战-响应握手
    • 工作站和PLC交换随机生成的0x20字节缓冲区
    • 缓冲区哈希与应用程序密码哈希结合完成预定

身份验证绕过漏洞(CVE-2021-22779)

攻击者发现 EcoStruxure 软件使用 MemoryBlockRead 命令从PLC读取密码哈希进行本地验证，而无需与PLC通信。这导致:

  1. 密码哈希通过未加密协议传输
  2. 任何未经身份验证的攻击者都可以读取密码哈希
  3. 攻击者可以使用读取的哈希完全绕过增强预定机制

从认证绕过到RCE

结合其他未公开的UMAS命令，攻击者可实现RCE:

  1. WritePhysicalAddress(CVE-2019-6829):

    • 允许任意写入PLC内存中的任何地址
    • 可修改函数指针、栈变量或C++虚表指针
    • 结合ROP技术可实现代码执行

  2. PrivateMessage(CVE-2018-7852):

    • 通过访问输入缓冲区中提供的指针触发内部函数
    • 攻击者可构造有效C++对象并触发虚函数调用
    • 结合ROP gadgets可实现代码执行

降级攻击

攻击步骤:

  1. 使用CVE-2021-22779绕过认证并预定PLC
  2. 上传未配置应用程序密码的新项目文件
  3. 释放预定并断开连接
  4. 用基本预定方式重新连接(无需密码)
  5. 利用WritePhysicalAddress或PrivateMessage实现RCE

其他攻击场景

  1. 旁观者(Man-on-the-side)身份验证绕过:

    • 截获预定令牌(1字节)
    • 注入TCP RST断开合法连接
    • 在令牌有效期内(几秒)重用令牌

  2. 中间人(MiTM)身份验证绕过:

    • 通过ARP欺骗设置中间人位置
    • 截获身份验证数据包获取令牌
    • 协议缺乏加密和完整性保护

缓解措施

  1. 施耐德电气建议:

    • 在项目文件中使用应用程序密码
    • 正确使用网络分段
    • 实施访问控制列表保护工业控制器

  2. 第三方解决方案:

    • 监控设备并识别风险
    • 检测易受攻击的PLC和ICS协议异常
    • 识别中间人攻击和漏洞利用尝试

  3. 长期解决方案:

    • 采用Modbus安全协议提供加密和身份验证
    • 对通信进行基本改造，引入证书验证

披露时间表

  • 2020-11-13: 初始报告三个未公开UMAS命令
  • 2020-11-21: SE确认部分命令已修复
  • 2020-11-25: 发现修复不完全，漏洞实际可导致RCE
  • 2021-02-09: SE确认补丁仅在设置应用程序密码时有效
  • 2021-02-25: 发现多种绕过技术
  • 2021-03-26: 提供PoC演示增强预定绕过
  • 2021-03-31: SE确认CVE-2021-22779，预计2021 Q4补丁

总结

该漏洞揭示了Modbus/UMAS协议的根本设计缺陷，包括缺乏加密、弱身份验证机制和未公开的危险命令。虽然施耐德电气已发布部分缓解措施，但完全解决这些问题需要对协议进行根本性改造。工业控制系统安全需要结合网络分段、严格访问控制和持续监控来防御此类高级威胁。

Modicon PLC 中的 RCE 漏洞分析 (CVE-2021-22779) 漏洞概述 CVE-2021-22779 是 Schneider Electric Modicon PLC 中的一个严重身份验证绕过漏洞，允许攻击者绕过 PLC 的安全机制，导致远程代码执行(RCE)。该漏洞与 Modbus 协议和 UMAS 协议的设计缺陷相关，影响 Modicon M340 和 M580 PLC 的最新固件版本。 受影响组件 受影响设备 : Modicon M340 和 M580 PLC 相关协议 : Modbus/TCP 和 UMAS 协议 相关CVE : CVE-2021-22779 - 通过 UMAS 命令 MemoryBlockRead 的身份验证绕过 CVE-2018-7852 - 通过 UMAS 命令 PrivateMessage 的 RCE CVE-2019-6829 - 通过 UMAS 命令 WritePhysicalAddress 的任意内存写入 CVE-2020-7537 - 通过 UMAS 命令 ReadPhysicalAddress 的任意内存读取 技术背景 Modbus 协议 Modbus 是 SCADA 系统中控制 PLC 的实际标准协议，最初由 Modicon 于1979年发布。Modbus/TCP 是其IP版本，但设计老旧，缺乏现代安全功能如加密和身份验证。 UMAS 协议 UMAS(Unified Messaging Application Services)是 Modicon 在 Modbus 基础上扩展的专有协议，增加了: 身份验证机制 二进制数据传输 固件更新等功能 UMAS 重新实现了标准 Modbus 命令并添加了专有命令，如 MemoryBlockWrite(功能码 0x21)。 漏洞详细分析 UMAS 预定机制 Modicon PLC 使用预定机制来同步PLC程序的修改: 基本预定机制 (早期版本): 使用功能码 0x10 的 UMAS 命令 依赖硬编码共享密钥 无身份验证或挑战-响应握手 增强预定机制 (改进版本): 使用功能码 0x6E 的 UMAS 命令 基于共享密码(应用程序密码)的挑战-响应握手 工作站和PLC交换随机生成的0x20字节缓冲区 缓冲区哈希与应用程序密码哈希结合完成预定 身份验证绕过漏洞(CVE-2021-22779) 攻击者发现 EcoStruxure 软件使用 MemoryBlockRead 命令从PLC读取密码哈希进行本地验证，而无需与PLC通信。这导致: 密码哈希通过未加密协议传输 任何未经身份验证的攻击者都可以读取密码哈希 攻击者可以使用读取的哈希完全绕过增强预定机制 从认证绕过到RCE 结合其他未公开的UMAS命令，攻击者可实现RCE: WritePhysicalAddress (CVE-2019-6829): 允许任意写入PLC内存中的任何地址 可修改函数指针、栈变量或C++虚表指针 结合ROP技术可实现代码执行 PrivateMessage (CVE-2018-7852): 通过访问输入缓冲区中提供的指针触发内部函数 攻击者可构造有效C++对象并触发虚函数调用 结合ROP gadgets可实现代码执行 降级攻击 攻击步骤: 使用CVE-2021-22779绕过认证并预定PLC 上传未配置应用程序密码的新项目文件 释放预定并断开连接 用基本预定方式重新连接(无需密码) 利用WritePhysicalAddress或PrivateMessage实现RCE 其他攻击场景 旁观者(Man-on-the-side)身份验证绕过 : 截获预定令牌(1字节) 注入TCP RST断开合法连接 在令牌有效期内(几秒)重用令牌 中间人(MiTM)身份验证绕过 : 通过ARP欺骗设置中间人位置 截获身份验证数据包获取令牌 协议缺乏加密和完整性保护 缓解措施 施耐德电气建议 : 在项目文件中使用应用程序密码 正确使用网络分段 实施访问控制列表保护工业控制器 第三方解决方案 : 监控设备并识别风险 检测易受攻击的PLC和ICS协议异常 识别中间人攻击和漏洞利用尝试 长期解决方案 : 采用Modbus安全协议提供加密和身份验证 对通信进行基本改造，引入证书验证 披露时间表 2020-11-13: 初始报告三个未公开UMAS命令 2020-11-21: SE确认部分命令已修复 2020-11-25: 发现修复不完全，漏洞实际可导致RCE 2021-02-09: SE确认补丁仅在设置应用程序密码时有效 2021-02-25: 发现多种绕过技术 2021-03-26: 提供PoC演示增强预定绕过 2021-03-31: SE确认CVE-2021-22779，预计2021 Q4补丁 总结 该漏洞揭示了Modbus/UMAS协议的根本设计缺陷，包括缺乏加密、弱身份验证机制和未公开的危险命令。虽然施耐德电气已发布部分缓解措施，但完全解决这些问题需要对协议进行根本性改造。工业控制系统安全需要结合网络分段、严格访问控制和持续监控来防御此类高级威胁。