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S7-200 SMART PLC 安全全指南：配置、漏洞解析与复现防护

news 2025/9/14 5:28:04

在工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）作为核心控制单元，其安全性直接关系到生产系统的稳定运行与数据安全。西门子 S7-200 SMART 系列 PLC 凭借高性价比、易用性等优势，广泛应用于中小型自动化项目。但实际使用中，工程师常面临密码配置不规范、权限管理模糊、漏洞防护意识薄弱等问题。本文将整合 S7-200 SMART CPU 的密码设置、权限分级、经典漏洞（CVE-2019-13945）深度解析、详细复现步骤及全方位防护方案，为工业场景提供从理论到实操的完整安全指引。
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一、S7-200 SMART CPU 基础安全配置：密码与权限管理

密码与权限是保护 PLC 程序不被未授权访问的核心屏障。S7-200 SMART CPU 通过严格的密码复杂度要求和四级权限分级，实现精细化安全管控，需通过官方编程软件 STEP 7-Micro/WIN SMART 完成配置。

1.1 密码设置：从实操到安全规范

1.1.1 密码设置详细步骤

软件与硬件准备：安装 STEP 7-Micro/WIN SMART（建议 V2.6 及以上版本），通过以太网或 USB 电缆建立电脑与 PLC 的连接，确保 PLC 处于 “停止” 状态。
进入系统块配置：在软件项目树中双击 “系统块”（System Block），打开系统配置界面，点击左侧 “安全”（Security）节点，进入密码与权限设置页面。
设置符合复杂度的密码：

密码必须满足四大要求：至少 1 个小写字母（如 a、b）、1 个大写字母（如 A、B）、1 个数字（如 0-9）、1 个特殊字符（如！、#），长度需在 10-63 字符之间（复杂度不达标时软件会弹窗提示错误）。
示例：符合要求的密码如 “Lk9!pQ2*sT5$”，避免使用 “123456Aa!”“设备编号 + 密码” 等简单组合。

下载配置生效：点击 “下载” 按钮，将密码与权限配置写入 PLC，下载完成后重启 PLC，密码设置正式生效。

1.1.2 密码设置常见误区与规避建议

误区 1：多人共用同一密码，无密码管理日志。

建议：为工程师、运维人员、操作员分配独立密码，通过加密表格记录密码领用、更换、注销信息，确保责任可追溯。
误区 2：密码存储在 PLC 附近纸质文档或未加密电脑中。

建议：使用工业级密码管理工具（如 Keepass、1Password）存储，或通过企业内部加密服务器管理，防止物理或网络泄露。
误区 3：长期不更换密码，默认使用初始密码。

建议：每 3 个月定期更换密码，更换时需同步更新所有授权人员的密码记录，避免旧密码残留风险。

1.2 权限分级：按需配置，最小权限原则

S7-200 SMART CPU 将权限分为 4 个级别，核心是 “仅授予用户完成工作必需的权限”，避免过度授权导致安全隐患。

1.2.1 四级权限详细解析（附适用场景）

权限级别	官方名称	核心操作权限	适用场景
1 级	完全权限	无限制访问：读写程序、上传 / 下载项目、强制存储器、修改系统配置、格式化存储卡等	项目开发工程师（需完整控制 PLC，进行程序调试与修改）
2 级	读取权限	允许读写数据（如寄存器、定时器），但下载程序、强制操作、存储卡编程需密码	现场运维人员（需监控设备运行数据，无需修改程序）
3 级	最低权限	仅允许读取数据（如查看生产参数、故障代码），所有写入 / 修改操作均需密码	生产操作员（仅需监控设备状态，无操作权限）
4 级	不允许上传	最严格权限：无法上传程序（即使知道密码也无法导出），仅允许下载新程序	核心生产设备（如关键生产线 PLC，防止程序被拷贝或篡改，保护核心技术）

1.2.2 权限配置关键注意事项

权限修改限制：仅当 PLC 中 “无用户程序” 时，才能将 4 级权限（不允许上传）修改为其他级别；若已写入程序，需先清空程序才能调整，避免恶意降级。
多 PLC 统一管理：工厂多台 PLC 需按设备重要性分级配置（核心设备用 4 级，普通设备用 2-3 级），制作 “PLC 权限配置表”，标注设备型号、权限级别、配置人员及时间，避免管理混乱。
权限与密码的关联：密码是权限的 “钥匙”—— 即使设置 3 级权限，若密码泄露，攻击者仍可通过密码获取更高权限，因此 “密码安全 + 权限分级” 需同步重视。

二、S7-200 SMART 经典漏洞解析：CVE-2019-13945

尽管有密码与权限防护，S7-200 SMART 仍存在历史高危漏洞 ——CVE-2019-13945，该漏洞可通过物理接触绕过权限限制，获取 PLC 控制权，曾导致多起工业生产安全事件。

2.1 漏洞原理深度剖析

漏洞类型：物理接口权限绕过漏洞
触发前提：攻击者需物理接触 PLC（如进入控制柜），且 PLC 固件版本为V2.5 及以下（未修复版本）。
核心漏洞点：PLC 启动过程中（上电初始化阶段），UART 接口（串行调试接口）会开放西门子预留的 “诊断模式”，该模式未做权限校验，通过特定指令即可进入，绕过密码与权限限制。
攻击流程：

攻击者在 PLC 断电状态下，通过 USB 转 UART 模块连接 PLC 的 UART 接口。
上电瞬间发送诊断模式唤醒指令，触发 PLC 进入无权限限制的诊断模式。
进入诊断模式后，可读取程序、修改权限、上传恶意程序，完全掌控 PLC。

2.2 漏洞风险具象化（工业场景案例）

某汽车零部件工厂曾发生 PLC 程序被篡改事件：外部人员伪装成检修人员进入车间，通过控制柜内 S7-200 SMART 的 UART 接口，利用 CVE-2019-13945 漏洞绕过密码，修改焊接设备 PLC 程序，导致批量零部件质量不合格，直接损失超 50 万元。该案例表明，物理接触 + 旧固件的组合，可能对生产造成毁灭性影响。

三、CVE-2019-13945 漏洞详细复现步骤

重要安全声明

：本复现步骤仅用于

合法的安全测试与技术研究

，需获得设备所有权人书面授权，严禁用于未授权攻击。复现可能导致 PLC 程序丢失、设备故障，需在

测试环境（非生产设备）

操作，并提前备份所有数据。

3.1 复现前提与环境准备

3.1.1 硬件设备清单

设备名称	规格要求	作用说明
S7-200 SMART CPU	全系列（如 SR20、ST30、SR40），固件版本V2.5 及以下（漏洞未修复）	目标设备，旧固件是触发漏洞的关键
USB 转 UART 模块	3.3V 电平（如 CH340G、PL2303），避免 5V 模块（可能烧毁 PLC UART 接口）	实现电脑与 PLC UART 接口通信，确保电平匹配
杜邦线（母对母）	4 根（颜色区分，线长≤50cm）	连接模块与 PLC UART 接口，减少信号干扰
直流电源	24V DC，输出电流≥1A（匹配 PLC 供电需求，如 SR20 额定电流 0.8A）	独立供电，避免复现中供电不稳导致设备重启
电脑	Windows 10/11 系统，安装串口工具与驱动	发送指令、监控通信数据
PLC 程序备份文件	提前通过 STEP 7-Micro/WIN SMART 上传备份，复现后恢复	防止程序丢失，确保测试后设备正常使用

3.1.2 软件工具准备

USB 转 UART 驱动：根据模块型号安装（如 CH340G 驱动从沁恒官网下载），安装后通过 “设备管理器→端口” 确认串口编号（如 COM3），记录备用。
串口调试工具：推荐 SecureCRT（V8.7+）或 SSCOM（V5.13），需支持 “十六进制发送”“关闭数据流控制” 功能，本文以 SecureCRT 为例。
固件版本查询工具：通过 STEP 7-Micro/WIN SMART 连接 PLC，在 “在线→PLC 信息” 中查看固件版本，若为 V2.5.1 及以上，需降级（降级步骤见附录）。

3.2 硬件连接步骤（关键：避免引脚接反）

S7-200 SMART UART 接口位于正面 “DEBUG” 区域（部分型号需拆外壳），为 4 针端子，引脚定义如下（以实物标注为准）：

PLC UART 引脚编号	引脚功能	对应 USB 转 UART 模块引脚	杜邦线颜色建议	连接注意事项
1	VCC（3.3V）	不连接（避免供电冲突）	-	严禁接模块 5V 引脚，否则烧毁 PLC UART 电路
2	TX（发送数据）	RX（接收数据）	白色	PLC TX→模块 RX，接反无法通信
3	RX（接收数据）	TX（发送数据）	绿色	PLC RX→模块 TX，确保线序正确
4	GND（接地）	GND（接地）	黑色	必须连接，否则信号干扰导致指令发送失败

具体连接操作：

断开 PLC 与现场设备（传感器、执行器）的连接，仅保留供电与 UART 接口。
USB 转 UART 模块连电脑，设备管理器确认串口编号（如 COM3），断开 USB 连接（避免带电接线）。
按引脚定义接杜邦线：PLC 引脚 2→模块 RX、PLC 引脚 3→模块 TX、PLC 引脚 4→模块 GND，引脚 1 空接。
检查接线牢固无接反后，24V DC 电源接入 PLC（“L+” 接正极，“M” 接负极），电源指示灯（PWR）亮起。
模块重新连电脑，设备管理器确认串口正常识别（无黄色感叹号）。

3.3 串口调试工具配置（确保参数匹配）

新建串口连接：打开 SecureCRT，点击 “File→Quick Connect”，协议选 “Serial”，端口选 COM3（前文记录的编号），波特率9600，数据位 8，校验位 None，停止位 1，流控制 “None”（关键：关闭流控制），点击 “Connect”。
配置十六进制发送：连接成功后，点击工具栏 “Send Break” 下拉菜单，选 “Send Hex File”（或按 Alt+H），确保指令以十六进制传输（ASCII 格式 PLC 无法识别）。
测试通信连通性：发送测试指令 “01 03 00 00 00 01 84 0A”（十六进制，读取 PLC 状态寄存器），若接收区返回 “01 03 02 00 01 B8 0B”，说明连接与参数正确；无响应则检查接线或参数。

3.4 漏洞触发步骤（核心：启动阶段唤醒诊断模式）

断开 PLC 电源（电源指示灯熄灭），确保完全断电。
打开 SecureCRT “发送窗口”（View→Send Window），输入漏洞触发指令（十六进制）：

“55 AA 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”

（该指令唤醒诊断模式，未修复固件会响应）。
勾选 “Send repeatedly”（重复发送），间隔设 100ms，按住 “发送” 按钮，同时为 PLC 上电（接通 24V DC）。
观察状态与响应：

上电 1-3 秒内，PLC 进入 “初始化阶段”（RUN 与 STOP 灯交替闪烁），若指令发送成功，接收区返回 “55 AA 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01”（末尾 “01” 表示进入诊断模式）。
未收到响应则重复步骤 1-3（启动窗口期仅 2-5 秒，需多次尝试同步上电与指令发送）。

发送权限绕过指令（十六进制）：

“55 AA 02 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”

接收区返回 “55 AA 02 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01”，表示权限绕过成功。

3.5 未授权操作验证（确认漏洞利用成功）

以读取 PLC 程序为例，验证是否获得控制权：

发送 “读取程序信息指令”（十六进制）：

“55 AA 03 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”

接收区返回程序信息（如 “55 AA 03 01 00 00 00 08 00 00 01 23 00 00 00 01”，“00 08” 表示程序大小 8KB）。
发送 “读取程序数据指令”（十六进制，“00 08” 为程序大小）：

“55 AA 04 01 00 00 00 00 00 00 00 08 00 00 00 00”

接收区返回程序二进制数据，用十六进制编辑器查看，与提前备份的程序比对（MD5 校验或二进制对比），一致则证明漏洞利用成功。

3.6 复现后恢复操作（避免设备异常）

发送 “退出诊断模式指令”（十六进制）：

“55 AA 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”

接收区返回 “55 AA 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01”，表示退出成功。
断开硬件连接：先断 PLC 电源，拆除杜邦线与模块，恢复 PLC 外壳（若拆除过）。
恢复程序与固件：通过 STEP 7-Micro/WIN SMART 下载备份程序，将固件更新至V2.5.1 及以上（漏洞修复版本，步骤见附录）。
测试设备功能：上电运行程序，检查传感器、执行器正常工作，确认无硬件损坏或功能异常。

四、S7-200 SMART PLC 全方位防护方案

针对密码安全、权限管理与 CVE-2019-13945 漏洞风险，需从 “技术防护” 与 “管理规范” 两方面构建多层次安全体系。

4.1 技术防护：堵漏洞、强加密、防接触

4.1.1 漏洞修复：及时更新固件

西门子已发布 CVE-2019-13945 漏洞修复固件，步骤如下：

登录西门子工业支持中心（https://support.industry.siemens.com），搜索 “S7-200 SMART 固件”，找到对应 CPU 型号的最新固件（如 V2.5.1 及以上版本），点击下载并解压（注意区分 32 位与 64 位系统兼容包）。

2. 打开 STEP 7-Micro/WIN SMART，通过以太网或 USB 连接 PLC，确保通信正常后，点击 “在线→固件更新”，弹出固件更新窗口。

3. 在窗口中点击 “浏览”，选择解压后的固件文件（后缀通常为 “.upd”），点击 “打开” 加载固件。

4. 点击 “更新” 按钮，软件会弹出警告窗口（提示 “更新过程中严禁断电，否则可能导致 PLC 损坏”），确认后点击 “确定”，开始固件更新（进度条显示更新进度，约 3-5 分钟）。

5. 更新完成后，PLC 会自动重启，重启后通过 “在线→PLC 信息” 确认固件版本已更新至目标版本，漏洞修复完成。

4.1.2 物理安全：阻断未授权接触

物理接触是 CVE-2019-13945 漏洞利用的前提，需从硬件层面加强防护：

控制柜防护：为 PLC 所在控制柜加装双重机械锁（如钥匙锁 + 密码锁），钥匙仅由设备管理员与运维组长持有，密码定期（每 2 个月）更换；控制柜表面粘贴 “非授权人员禁止开启” 警示标识，明确责任归属。
接口封堵与监控：对 PLC 闲置的 UART 接口、以太网接口，使用绝缘防水堵头物理封堵（仅在调试时临时拆除，调试后立即重新封堵）；在控制柜内安装门磁传感器与震动报警器，传感器与工厂物联网平台联动，若柜门被非法打开或设备受到异常震动，平台立即推送报警信息至管理员手机（含现场位置、报警时间），同时触发车间声光报警。
区域隔离：将 PLC 控制柜集中部署在独立的电气控制室，控制室加装门禁系统（刷卡 + 人脸双重认证），非授权人员禁止入内；控制室内安装高清监控摄像头（覆盖所有控制柜，录像保存时间不少于 30 天），便于事后追溯异常操作。

4.1.3 密码与权限强化

密码动态管理：通过 STEP 7-Micro/WIN SMART 的 “安全设置”，启用 “密码有效期” 功能（设置为 90 天），到期前 7 天软件自动弹窗提醒用户更换密码；更换密码时，强制校验新密码与历史 3 次密码不同，避免重复使用弱密码。
权限最小化配置：严格按照 “岗位需求” 分配权限，例如：生产操作员仅授予 3 级权限（仅读数据），运维人员授予 2 级权限（读写数据，关键操作需密码），核心设备（如主生产线 PLC）强制设置 4 级权限（不允许上传），且仅允许 1-2 名核心工程师持有最高权限密码。
权限变更审计：通过 STEP 7-Micro/WIN SMART 的 “操作日志” 功能，记录所有权限变更操作（含操作人、操作时间、变更前权限、变更后权限），日志定期（每周）导出备份，由安全管理员审核，若发现异常变更（如非授权将 3 级权限改为 1 级），立即暂停涉事 PLC 使用，排查操作源头。

4.2 管理规范：定制度、明责任、强执行

4.2.1 人员权限与操作管理

岗位权限分级制度：制定《S7-200 SMART PLC 操作权限管理办法》，明确不同岗位（工程师、运维员、操作员、管理员）的权限范围，例如：
- 工程师：1 级权限（完全控制），负责程序开发、固件更新、权限配置；
- 运维员：2 级权限（读写数据，关键操作需密码），负责设备日常维护、数据监控；
- 操作员：3 级权限（仅读数据），负责生产状态监控、故障上报；
- 管理员：权限审批与审计，不直接操作 PLC。
  
  所有人员权限需通过 “书面申请 - 部门审批 - 管理员配置” 流程开通，严禁越权操作。
双人操作与监护制度：对 PLC 的核心操作（如程序下载、权限修改、固件更新），实行 “双人操作”：一人为 “操作人”（负责执行操作），一人为 “监护人”（负责监督操作流程、核对操作参数），操作前需共同确认操作指令、设备编号，操作后共同在《PLC 操作记录表》签字确认，避免单人误操作或恶意操作。
人员离职交接流程：员工离职（尤其是工程师、运维员）时，需完成 “权限注销 - 密码交接 - 操作记录移交” 三步流程：

管理员立即注销离职人员的 PLC 操作权限，删除其个人账户；
离职人员将所持 PLC 密码（含管理密码、操作密码）书面移交指定接手人，交接双方签字确认；
离职人员将负责设备的操作日志、故障记录、程序备份等资料移交，确保后续维护无信息断层。

4.2.2 操作日志与审计管理

日志全面记录：启用 STEP 7-Micro/WIN SMART 的 “完整操作日志” 功能，记录所有对 PLC 的操作，包括：登录 / 注销、程序上传 / 下载、密码修改、权限变更、固件更新、强制存储器操作等，日志需包含 “操作人、操作时间、操作类型、操作结果、设备编号” 等关键信息，确保每一步操作可追溯。
定期审计与异常处理：安全管理员每周对操作日志进行审计，重点排查以下异常：
- 非工作时间（如夜间、节假日）的 PLC 操作；
- 权限越级操作（如操作员执行工程师权限的程序下载）；
- 频繁的密码错误登录（可能是暴力破解尝试）；
- 异常的程序修改（如未经审批的程序上传）。
  
  若发现异常，立即暂停涉事 PLC 运行，通过监控录像、操作记录溯源，同时上报部门负责人，形成《PLC 安全异常处理报告》，记录处理过程与结果。

4.2.3 应急响应与演练

应急响应预案制定：制定《S7-200 SMART PLC 安全事件应急响应预案》，明确不同安全事件（如密码泄露、漏洞攻击、程序被篡改、设备故障）的处理流程，包括：
- 事件分级：根据影响范围（单台设备 / 多条生产线 / 全厂）、损失程度（轻微影响 / 停产 / 安全事故），将事件分为 “一般事件、较大事件、重大事件” 三级；
- 响应流程：“事件上报 - 应急小组启动 - 现场处置 - 设备恢复 - 原因调查 - 预防改进”，明确每个环节的责任部门、责任人、处理时限；
- 资源储备：提前准备应急工具（如备用 PLC、程序备份、固件安装包）、应急人员（工程师、运维员、安全管理员）联系方式，确保事件发生后快速响应。
定期应急演练：每季度组织一次 PLC 安全应急演练，模拟常见安全事件（如模拟 CVE-2019-13945 漏洞攻击、密码泄露导致程序被篡改），让相关人员熟悉应急流程：

演练前制定《演练方案》，明确演练场景、参与人员、考核标准；
演练中，参与人员按预案执行 “事件上报、设备断电、程序恢复、漏洞封堵” 等操作；
演练后，召开总结会，分析演练中存在的问题（如响应速度慢、操作不熟练），优化应急预案，提升实战能力。

五、附录：PLC 固件降级步骤（仅测试环境使用）

若现有 PLC 固件为 V2.5.1 及以上（已修复漏洞），需降级至 V2.5 及以下版本用于漏洞复现，步骤如下：

登录西门子工业支持中心，搜索 “S7-200 SMART 旧版本固件”，下载目标版本（如 V2.4.0），解压后备用。
打开 STEP 7-Micro/WIN SMART，连接 PLC，点击 “在线→固件更新”，在固件更新窗口中取消勾选 “仅显示兼容固件”（默认勾选，取消后可选择旧版本固件）。
点击 “浏览”，选择解压后的旧版本固件文件，点击 “打开” 加载。
点击 “更新”，软件弹出 “降级警告”（提示 “降级可能导致部分功能不可用，且存在安全漏洞风险”），确认用于测试环境后，点击 “确定” 开始降级。
降级过程中保持 PLC 供电稳定，完成后 PLC 自动重启，通过 “PLC 信息” 确认固件版本已降级至目标版本。

注意

：固件降级仅允许在测试环境执行，生产环境严禁降级，避免引入安全漏洞。

六、总结：工业安全需 “技术 + 管理” 双管齐下

S7-200 SMART PLC 作为工业自动化的核心设备，其安全性不仅依赖于技术防护（如密码设置、固件更新、物理防护），更需要完善的管理规范作为支撑。从实际案例来看，多数 PLC 安全事件并非单纯因技术漏洞导致，而是源于人员安全意识不足（如密码随意存储）、操作不规范（如单人越权操作）、管理存在漏洞（如离职人员权限未及时注销）。

本文通过整合 S7-200 SMART 的基础安全配置、漏洞解析、复现步骤与防护方案，希望能帮助工业工程师建立 “从预防到应对” 的完整安全思维：日常使用中，通过规范密码与权限配置、及时更新固件、加强物理防护，从源头降低风险；管理层面，通过明确人员权限、执行双人操作、定期审计日志、开展应急演练，构建全流程安全管控体系。

工业安全无小事，每一个细节（如一个复杂密码、一次固件更新、一把控制柜锁）都是守护生产安全的重要防线。只有将技术防护与管理规范深度融合，才能真正筑牢 S7-200 SMART PLC 的安全屏障，保障工业生产系统稳定、可靠运行。

若你在实际操作中遇到固件更新失败、权限配置异常、应急处理难题等问题，欢迎在评论区留言，我们可共同探讨解决方案，进一步优化 PLC 安全管理方案。