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如果保護繼電器癱瘓,成為攻擊者有效載荷的工具,該怎么辦?

2020-11-07 14:10
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上月底,美國司法部宣布對一個名為“沙蟲”(Sandworm)的黑客組織發起起訴,指控六名黑客實施了與近五年全球網絡攻擊有關的計算機犯罪,包括試圖破壞 2018 年平昌冬奧會,干擾法國 2017 年總統選舉,以及散布烏克蘭歷史上最具破壞性的惡意軟件等。經確認,該組織由俄羅斯主要情報局(GRU)74455 部隊的成員組成,GRU 是俄羅斯軍隊的一個軍事情報機構。

上述攻擊事件或許已經足夠駭人聽聞。但請相信,黑客們的本事比你想象的大得多——一項發生于 2007 年的秘密實驗證明,黑客可以僅憑一個不超過 GIF 大小的文件,就破壞一個國家的電網設備,并使其無法修復。

調查引出的意外發現

2016 年,“沙蟲”組織試圖利用 BlackEnergy 和 Industroyer 惡意軟件破壞烏克蘭的電網,這次攻擊造成了有史以來最嚴重的后果,不僅致使大范圍停電,還對電力設備造成了物理損害。

然而,當一位名為 Mike Assante 的網絡安全研究人員對該攻擊的細節進行深入研究時,他驚訝地發現,這種攻擊并非源于俄羅斯黑客,而是一種由美國政府發明的電網入侵計劃,而且早在十年前,美國就對這一計劃進行了測試。

好巧不巧,Assante 正是十年前該計劃的測試人員之一,也是一位具有傳奇色彩的工業控制系統安全先驅。十多年前,Assante 是一名前海軍軍官,后來擔任網絡安全工程師,長期以來一直敏銳地意識到黑客攻擊電網的問題。

然而,多數網絡安全工程師卻并未將這類攻擊放在眼里。因為當黑客黑進公用事業網絡,并打開斷路器致使網絡癱瘓時,當時業界的普遍應對方法是,將入侵者踢出網絡并重啟電源,這是非常簡單的操作。

但 Assante 卻被一個更狡猾的想法所困擾:如果攻擊者不只是破壞電網運營商的控制系統,關掉開關并造成短期停電,而是直接重新編程系統自動化程序,以及控制住能夠自行決定電網運行而無需任何人檢查的組件,工程師們又該如何應對?
另一個對電網安全至關重要的設備則是保護繼電器(protective relay)。保護繼電器常常被視為電網救生員,以防止電氣系統中出現危險物理條件。例如當線路過熱或發電機內部運轉頻率不同步時,保護繼電器就會檢測到異常并打開斷路器,從而斷開故障點,以免損傷昂貴的硬件,甚至防止火災的發生。

但是,如果保護繼電器癱瘓(或直接損壞),從而成為攻擊者有效載荷的工具,又該怎么辦?

Aurora 測試實驗

于是,2007 年,Assante 及其同事進行了一個代號為 “Aurora” 的秘密實驗,以研究美國電網系統的安全性能。

這場實驗在愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)中進行。為了實現測試目的,愛達荷國家實驗室提前建立起一個相當大的電網系統,并配有總長 61 英里的電線和 7 個變電站。

此外,美國政府還召集了包括來自美國國土安全部、能源部和北美電力可靠性公司(NERC)的官員,以及來自全國各地電力公司的高管,還有像 Assante 這樣的研究人員和工程師進行旁觀。所有人身處一個擺滿了監視器的房間中,監視器則從幾個不同角度,顯示著大型柴油發電機的實時錄像。

這臺發電機和一輛校車一般大,外表是巨大的薄荷綠鋼材,重達 27 噸,相當于一輛 M3 Bradley 坦克的重量。它被放置在變電站中,發出持續的轟鳴聲,與房間里的 “觀眾們” 相距一英里。其產生的電能足夠為一家醫院或一艘海軍艦船供電。

研究人員計劃徹底摧毀這種非常昂貴且堅固的機械設備,但不是使用任何物理工具或武器,而是使用約 30 行代碼,大約 140 KB 的數據,其大小甚至比今天網絡上非常流行的 GIF 表情包還要小。

在遭到攻擊之前,發電機的內部一直在與連接的電網順利進行著工作。機器內部的柴油發生著霧化,以推動使發動機內部旋轉的活塞,每分鐘大約移動 600 次。而后一根帶有包裹在銅線中的、纏繞在兩個大塊磁鐵之間的桿隨之轉動,每次旋轉都會在電線中產生感應電流,為 60 赫茲的交流電,最后將其功率饋入與其連接的更大的電網中。

此時,發電機的保護繼電器的作用是,防止其在未首先同步至準確的節奏(60 赫茲)的情況下就連接至電力系統的其余部分。

但是,Assante 帶領的黑客們剛剛對該安全裝置進行了重新編程,從而改變了原本的邏輯——保護繼電器觀察到發電機已完全同步,但是由于已被 “翻轉” 的邏輯,它打開了一個斷路器以斷開機器的連接。

而后,發電機由于負擔減小旋轉得越來越快,一旦保護繼電器發現發電機的旋轉加速到與電網的其余部分完全不同步,它又立即將其重新連接到電網中。

于是,當發電機再次連接到較大的系統時,就受到電網上所有其他旋轉發電機的扭轉沖擊。巨大的機器隨即發出劇烈震動,最終,連接發電機軸兩端的橡膠墊圈被撕裂,機器內部燃燒產生巨大煙霧。這表明,黑客們攻擊成功,27 噸的發電機徹底報廢。

而從惡意代碼被觸發,到機器開始劇烈震動的整個過程,僅花費了不到一秒鐘的時間。

伴隨著監視器上清晰顯示著的機器殘骸,工程師們毫無疑問地證明了,攻擊電力公司的黑客不僅可以暫時破壞目標的工作進程,還可以破壞其最關鍵的物理設備,而且無法修復。

一本有關電網黑客實驗的書

上周,一本名為 SANDWORM: A New Era of Cyberwar and the Hunt for the Kremlin's Most Dangerous Hackers的書出版,該書詳細講述了關于 Assante 此次的測試實驗的故事。時至今日,它仍是一種網絡攻擊對現實世界潛在影響的有力警告,同時也預示著即將出現的 “沙蟲” 攻擊。

正如在 Aurora 實驗結束的那一刻,Assante 說道:“那是一個清醒的時刻,你可以想象它發生在實際工廠的一臺機器上,這將是非?膳碌。這意味著,只需幾行代碼,你就可以創建入侵條件,并嚴重損害我們所依賴的物理機器系統!

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聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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