[ffffffff0x] 工控协议:S7COMM协议分析(上)

原创

r0fus0d

修改于 2021-01-19 10:30:23

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前言

在上一篇文章中，我们通过模拟器环境实现了S7-300的启停实验。本次文章，我们将详细介绍S7comm协议的S7Comm Header和Job 和 Ack_Data机制并抓包分析其请求和相应报文。

S7Comm

S7Comm（S7 Communication）是西门子专有的协议，是西门子 S7 通讯协议簇里的一种。

S7 协议的 TCP/IP 实现依赖于面向块的 ISO 传输服务。S7 协议被封装在 TPKT 和 ISO-COTP 协议中，这使得 PDU（协议数据单元）能够通过 TCP 传送。

它用于 PLC 编程，在 PLC 之间交换数据，从 SCADA（监控和数据采集）系统访问 PLC 数据以及诊断目的。

S7Comm 以太网协议基于 OSI 模型，从 wireshark 协议分级可以看出排列。

S7Comm 数据作为 COTP 数据包的有效载荷，第一个字节总是 0×32 作为协议标识符。

S7Comm 协议包含三部分：

Header
Parameter
Data

根据实现的功能不同，S7 comm 协议的结构会有所不同。

S7Comm Header

S7Comm 的头，定义了该包的类型、参数长度、数据长度等。

S7Comm Header的格式为：

0 (unsigned integer, 1 byte): Protocol Id，协议 ID，通常为 0×32；
1 (unsigned integer, 1 byte): ROSCTR，PDU type，PDU 的类型，一般有以下值：
- 0×01 - JOB(Request： job with acknowledgement)：作业请求。由主设备发送的请求（例如，读/写存储器，读/写块，启动/停止设备，设置通信）；
- 0×02 - ACK(acknowledgement without additional field)：确认响应，没有数据的简单确认（未遇到过由 S7 300/400 设备发送得）；
- 0×03 - ACK_DATA(Response： acknowledgement with additional field)：确认数据响应，这个一般都是响应JOB的请求；
- 0×07 - USERDATA：原始协议的扩展，参数字段包含请求/响应 ID（用于编程/调试，读取 SZL，安全功能，时间设置，循环读取…）。
2~3 (unsigned integer, 2 bytes): Redundancy Identification (Reserved)，冗余数据，通常为 0×0000；
4~5 (unsigned integer, 2 bytes): Protocol Data Unit Reference，it’s increased by request event。协议数据单元参考，通过请求事件增加；
6~7 (unsigned integer, 2 bytes): Parameter length，the total length (bytes) of parameter part。参数的总长度；
8~9 (unsigned integer, 2 bytes): Data length，数据长度。如果读取 PLC 内部数据，此处为 0×0000；对于其他功能，则为 Data 部分的数据长度；

其中最重要的字段就是 ROSCTR，它决定了后续参数的结构

在响应数据包中，还有可能存在错误信息，其错误信息结构为：

10 (unsigned integer, 1 bytes): Error class，错误类型：
11 (unsigned integer, 1 bytes): Error code，错误代码；流量包分析

下载 wireshark 官网公开的pcap包 https://wiki.wireshark.org/SampleCaptures?action=AttachFile&do=get&target=s7comm_downloading_block_db1.pcap

COTP Connection Packet

COTP 连接请求包

COTP 请求确认包

COTP Fuction Packet

数据传输包

S7Comm Header

其中最重要的字段就是 ROSCTR，它决定了后续参数的结构

在响应数据包中，还有可能存在错误信息

可见图中的错误类型就是 No error

Job 和 Ack_Data

S7Comm 中 Job(作业请求) 和 Ack_Data(确认数据响应) 中的 Parameter 项的第一个字段是 function（功能码），其类型为 Unsigned integer，大小为 1 byte，决定了其余字段的结构、消息的目的。

建立通信（Setup communication 0xF0）

建立通信在每个会话开始时被发送，然后可以交换任何其他消息。它用于协商 ACK 队列的大小和最大 PDU 长度，双方声明它们的支持值。ACK 队列的长度决定了可以同时启动而不需要确认的并行作业的数量。PDU 和队列长度字段都是大端。

当 PDU 类型为 Job 时，具体的 Parameter 结构，如下：

1 (Unsigned integer, 1 byte): Parameter part: Reserved byte in communication setup pdu，保留字节；
2 (Unsigned integer, 2 bytes): Max AmQ (parallel jobs with ack) calling；
3 (Unsigned integer, 2 bytes): Max AmQ (parallel jobs with ack) called；
4 (Unsigned integer, 2 bytes): Parameter part: Negotiate PDU length。协商 PDU 长度。

读取值（Read Var 0x04）

数据读写操作通过指定变量的存储区域，地址（偏移量）及其大小或类型来执行。

当 PDU 类型为 Job 时，item的结构如下：

0 (Unsigned integer, 1 byte): Variable specification，确定项目结构的主要类型，通常为 0×12，代表变量规范；
1 (Unsigned integer, 1 byte): Length of following address specification，本 Item 其余部分的长度；
2 (Unsigned integer, 1 byte): Syntax Ids of variable specification，确定寻址模式和其余项目结构的格式；
3(Unsigned integer, 1 byte): Transport sizes in item data，确定变量的类型和长度：
4~5 (Unsigned integer ,2 byte): Request data length，请求的数据长度；
6~7 (Unsigned integer, 2 byte): DB number，DB 模块的编号，如果访问的不是 DB 区域，此处为 0×0000；
8 (Unsigned integer, 1 byte)：: Area，区域类型：
9~11(Unsigned integer, 3 byte): Address，地址。

PDU 类型为 Ack_Data 时，Data 结构如下：

0 (Unsigned integer, 1 byte): Return code，返回代码：
1 (Unsigned integer, 1 byte): Transport size，数据的传输尺寸：
2~3 (Unsigned integer, 2 bytes): Length，数据的长度；
4~4+length (?): Data，数据；
? (Unsigned integer, 1 byte): Fill byte，填充字节。

写入值（Write Var 0x05）

Write Var 中 Parameter 的结构跟读取值（Read Var0x04）一样，但是 Write Var 还需写入值，所以 Write Var 比 Read Var 多了一个 Data 项。

Data 的结构为：

0 (Unsigned integer, 1 byte): Return code，返回代码，这里是未定义，所以为 Reserved（0×00）；
1 (unsigned integer, 1 byte): Transport size，确定变量的类型和长度：
2-3 (unsigned integer, 2 bytes): Length，写入值的数据长度；
4 (1 byte): Data，写入的值；
5 (unsigned integer, 1 byte): Fill byte，填充字节，如果数据的长度不足 Length 的话，则填充；

PDU 类型为 Ack_Data 时，Parameter 也只有 function、item count 两个字段。而 Data 中也只有一个 Return code 字段，其结构如下：

0 (Unsigned integer, 1 byte): Return code，返回代码：

下载

下载Step7 发送块数据给 PLC.在西门子设备上，程序代码和（大部分）程序数据存储在块中，这些块有自己的头和编码格式。

在西门子设备中有8种不同类型的功能块，这些块在上/下载请求中用特殊的ASCII文件名寻址。这个文件名的结构如下：

1 (1 byte): File identifier（ASCII），文件标识符。其有_ (Complete Module)、$ (Module header for up-loading)两种文件标识符；
2 (2 bytes): Block type，块类型。
3 (5 bytes): Block number，块编号；
4 (1 byte): Destination filesystem(ASCII)，目标的文件系统。其有三种文件系统：
- P (Passive (copied, but not chained) module)：被动文件系统
- A (Active embedded module)：主动文件系统
- B (Active as well as passive module)：既主既被文件系统

下载有3种不同的功能类型：

请求下载（Request download 0x1A）

当 PDU 类型为 Job 时，Request download 0x1A 没有 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): for all unknown bytes in blockcontrol；
3 (4 bytes): 无意义，一般为0x00000000；
4 (1 byte): filename length，文件名长度；
5 (? bytes): filename, default is 9 byte，文件名，长度一般为9个字节；
- 1 (1 byte): File identifier（ASCII），文件标识符。其有_ (Complete Module)、$ (Module header for up-loading)两种文件标识符；
- 2 (2 bytes): Block type，块类型。
- 3 (5 bytes): Block number，块编号；
- 4 (1 byte): Destination filesystem（ASCII），目标的文件系统。其有P（Passive (copied, but not chained) module)、A (Active embedded module)、B (Active as well as passive module)三种文件系统；
6 (1 byte): Length part 2 in bytes，参数的第二部分长度，也就是接下来的字段长度；
7 (1 byte): Unknown char（ASCII）；
8 (6 bytes): Length load memory in bytes（ASCII）；
9 (6 bytes): Length of MC7 code in bytes（ASCII）。 PDU 类型为 Ack_Data 时，Request download 0x1A 的 Parameter 中只有一个 function。

PDU 类型为 Ack_Data 时，Request download 0x1A 的 Parameter 中只有一个 function。

下载块（Download block 0x1B）

下载是 Step7 发送块数据给 PLC。当 PDU 类型为 Job 时，Download block 0x1B 也没有 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): for all unknown bytes in blockcontrol；
3 (4 bytes): 无意义，一般为0x00000000；
4 (1 byte): filename length，文件名长度；
5 (? bytes): filename, default is 9 byte，文件名，长度一般为9个字节；
- 1 (1 byte): File identifier（ASCII），文件标识符。其有_ (Complete Module)、$ (Module header for up-loading)两种文件标识符；
- 2 (2 bytes): Block type，块类型。
- 3 (5 bytes): Block number，块编号；
- 4 (1 byte): Destination filesystem（ASCII），目标的文件系统。其有P（Passive (copied, but not chained) module)、A (Active embedded module)、B (Active as well as passive module)三种文件系统；

Download block 0x1B 的 Parameter 与 Request download 0x1A 的 Parameter 的第一部分相同

那 PDU 类型为 Ack_Data 时，Download block 0x1B 有 Parameter 和 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
- 1 (Unsigned integer, 2 bytes): Length，数据长度；
- 2 (Unsigned integer, 2 bytes): Unknown byte(s) in blockcontrol，未知字节；
- 3 (Label，data_length-4 bytes): Data，数据；
下载结束（Download ended 0x1C）

当 PDU 类型为 Job 时，Download ended 0x1C 也没有 Data，其 Parameter 的结构，如下：

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): for all unknown bytes in blockcontrol；
3 (4 bytes): 无意义，一般为 0x00000000；
4 (1 byte): filename length，文件名长度；
5 (? bytes): filename, default is 9 byte，文件名，长度一般为9个字节；
- 1 (1 byte): File identifier（ASCII），文件标识符。其有_ (Complete Module)、$ (Module header for up-loading)两种文件标识符；
- 2 (2 bytes): Block type，块类型。
- 3 (5 bytes): Block number，块编号；
- 4 (1 byte): Destination filesystem（ASCII），目标的文件系统。其有P（Passive (copied, but not chained) module)、A (Active embedded module)、B (Active as well as passive module)三种文件系统；

PDU 类型为 Ack_Data 时，Download ended 0x1C 的 Parameter 中只有一个 function。

上传

上传是 PLC 发送块数据给 Step7

在上传过程中，先是 Step7 向 PLC 发送一个开始上传的 Job，PLC 收到后则回复一个 Ack_Data，并告诉 Step7 块的长度、上传会话 ID。然后 PLC 继续上传块数据到 Step7，直到 Step7 收到所有字节。最后，Step7 发送结束上传的作业请求来关闭上传会话。

上传有3种不同的功能类型

开始上传（Start upload 0x1D）

当 PDU 类型为 Job 时，Start upload 0x1D 没有 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): for all unknown bytes in blockcontrol；
3 (4 bytes): 上传的会话ID，此时为0x00000000；
4 (1 byte): filename length，文件名长度；
5 (? bytes): filename, default is 9 byte，文件名，长度一般为9个字节；
- 1 (1 byte): File identifier（ASCII），文件标识符。其有_ (Complete Module)、$ (Module header for up-loading)两种文件标识符；
- 2 (2 bytes): Block type，块类型。
- 3 (5 bytes): Block number，块编号；
- 4 (1 byte): Destination filesystem（ASCII），目标的文件系统。其有P（Passive (copied, but not chained) module)、A (Active embedded module)、B (Active as well as passive module)三种文件系统；

那 PDU 类型为 Ack_Data 时，Start upload 0x1D 的 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): for all unknown bytes in blockcontrol；
3 (4 bytes): 上传的会话ID，告诉Step7上传会话ID；
4 (Unsigned integer, 1 byte): Blocklengthstring Length；
5 (Character string): Blocklength，块的长度；
上传（Upload 0x1E）

当 PDU 类型为 Job 时，Upload 0x1E 也没有 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): for all unknown bytes in blockcontrol；
3 (4 bytes): 上传的会话ID，告诉Step7上传会话ID；

PDU 类型为 Ack_Data 时，Upload 0x1E 有 Parameter 和 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
- 1 (Unsigned integer, 2 bytes): Length，数据长度；
- 2 (Unsigned integer, 2 bytes): Unknown byte(s) in blockcontrol，未知字节；
- 3 (Label，data_length-4 bytes): Data，数据；
上传结束（End upload 0x1F）

上传结束的过程，即为所有数据上传完成后，Step7 发送结束上传的作业请求，PLC 收到后就关闭会话，然后返回一个响应。

当 PDU 类型为 Job 时，End upload 0x1F 也没有 Data，其 Parameter 的结构，如下

1 (1 byte): Function Status，功能码状态；
2 (2 bytes): Error code，错误代码：
3 (4 bytes): 上传的会话ID，告诉 Step7 上传会话 ID；那 PDU 类型为 Ack_Data 时，End upload 0x1F 的 Parameter 中只有一个 function。

程序调用服务（PI service 0x28）

程序调用是用于在 PLC 执行修改执行/内存状态的日常工作。这些命令可以用于启动或停止 PLC 控制程序、激活或删除程序块。

当 PDU 类型为 Job 时，PI service 0x28 没有 Data，只有 Parameter，那 Parameter 的结构，如下：

1 (7 bytes): Unknown；
2 (Unsigned integer, 2 bytes): Parameter block length；
3 (?bytes): Parameter block，参数；
4 (Unsigned integer, 1 byte):String length，PI service的字符串长度；
5 (Character string, ASCII):PI (program invocation) Service name，程序调用服务名

Parameter 包含两个主要部分：

服务名称
参数：取决于方法类型，可以将它们看作是它的参数

服务名称及其相关参数的示例：

_INSE：激活设备上下载的块，参数是块的名称（比如：OB 1）。
_DELE：从设备的文件系统中删除一个块，该参数也是该块的名称。
P_PROGRAM：设置设备的运行状态（启动、停止、复位）。
_GARB：压缩 PLC 内存。
_MODU：将 ram 复制到 ROM，参数包含文件系统标识符（A/E/P）。

如果服务调用的参数是块的话，那么 Parameter block 的结构如下：

1 (1 byte): Number of block；
2 (1 byte): Unknown，默认为 0x00；
3 (? bytes): filename，文件名：
1 (2 bytes, ASCII): Block type，块类型。
2 (5 bytes, ASCII): Block number，块编号；
3 (1 byte, ASCII): Destination filesystem（ASCII），目标的文件系统。其有 P(Passive (copied, but not chained) module)、A (Active embedded module)、B (Active as well as passive module)三种文件系统；

PLC STOP 0x29

PLC STOP 基本上跟程序调用服务（PI service 0x28）一致，唯一的区别就是它没有 Parameter block，而它的 PI service 为 P_PROGRAM。