工控安全-S7协议

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一、西门子PLC系统构成

如下图就是一个组态完毕的西门子S7- 300的模型：

根据标号，各个模块分别是：

1.电源模块（PS），供电专用
2.CPU模块（CPU），负责处理信息
3.通信模块（IM）
4.数字量输入模块（DI）
5.数字量输出模块（DO）
6.模拟量输入模块（AI）
7.模拟量输出模块（AO）

二、S7协议结构

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：

1. 第1-4层会由计算机自己完成（底层驱动程序）；
2. 第5层TPKT，应用层数据传输协议，介于TCP和COTP协议之间。这是一个传输服务协议，主要用来在COTP和TCP之间建立桥梁；
3. 第6层COTP，COTP 是 OSI 7层协议定义的位于TCP之上的协议。COTP 以“Packet”为基本单位来传输数据，这样接收方会得到与发送方具有相同边界的数据；
4. 第7层，S7 communication，这一层和用户数据相关，对PLC数据的读取报文在这里完成。

在具体的报文中，TPKT的作用是包含用户协议（5~7层）的数据长度（字节数）；COTP的作用是定义了数据传输的基本单位（在S7Comm中 PDU TYPE：DT data）。

S7Comm协议OSI模型：

三、TPKT协议

通过TCP的传输服务。介于TCP和COTP之间。属于传输服务类的协议，功能为在COTP和TCP之间建立桥梁，其内容包含了上层协议数据包的长度。一般与COTP一起发送，当作Header段。

其中，TPKT的结构为：

Version：[1 byte] 版本信息。

Reserved：[1 byte]保留 (值为0x00)。

Length：[ 2 bytes] TPKT、COTP、S7三层协议的总长度，也就是TCP的payload的长度。

从图中可知，其version=3，length=25（0x0019）。

四、COTP协议

COTP是OSI 7层协议定义的位于TCP之上的协议。COTP以

Packet

为基本单位来传输数据，这样接收方会得到与发送方具有

相同边界的数据

。

COTP协议分为两种形态，分别是

COTP连接包

（COTP Connection Packet）和

COTP功能包

（COTP Fuction Packet）。

4.1 COTP连接包

COTP连接包（COTP Connection Packet）也就是S7Comm的握手包，如下图所示：

其中， COTP连接包的头结构为：

0 (Unsigned integer, 1 byte): Length，COTP后续数据的长度（注意：长度不包含length的长度），一般为17 bytes。

1 (Unsigned integer, 1 byte): PDU typ，协议数据单元类型有：

0x01: ED Expedited Data，加急数据
0x02: EA Expedited Data Acknowledgement，加急数据确认
0x04: UD，用户数据
0x05: RJ Reject，拒绝
0x06: AK Data Acknowledgement，数据确认
0x07: ER TPDU Error，TPDU错误
0x08: DR Disconnect Request，断开请求
0x0C: DC Disconnect Confirm，断开确认
0x0d: CC Connect Confirm，连接确认
0x0e: CR Connect Request，连接请求
0x0f: DT Data，数据传输

Destination reference：2 bytes，目标的引用，可以认为是用来唯一标识目标
Source reference：2 bytes，源的引用，同上

opt：[1 byte]，其中包括Extended formats(是否使用拓展样式)、No explicit flow control(是否有明确的指定流控制)，值都是Boolean类型。

Parameter：7~? (length-7 bytes, 一般为11 bytes) ，参数。一般参数包含

Parameter code

(1 byte)、

Parameter length

(1 byte)、

Parameter data

三部分。

i）Source TSAP：源设备的TSAP( KEPSERVER OPC)
ii）Destination TSAP：目的设备的TSAP(S7-200 SMART PLC)

TSAP这个概念还是不清楚，查到了：TSAP分为Local TASP（相当于采集程序的地址）和Remote TSAP（相当于PLC的地址）

连接请求包：

连接确认包：

4.2 COTP功能包

结构如下：

COTP功能包的头结构为：

0 (Unsigned integer, 1 byte): Length，COTP后续数据的长度（注意：长度不包含length的长度），一般为2 bytes。

1 (Unsigned integer, 1 byte): PDU type，类型有：

0x01: ED Expedited Data，加急数据
0x02: EA Expedited Data Acknowledgement，加急数据确认
0x04: UD，用户数据
0x05: RJ Reject，拒绝
0x06: AK Data Acknowledgement，数据确认
0x07: ER TPDU Error，TPDU错误
0x08: DR Disconnect Request，断开请求
0x0c: DC Disconnect Confirm，断开确认
0x0d: CC Connect Confirm，连接确认
0x0e: CR Connect Request，连接请求
0x0f: DT Data，数据传输

opt：[1 byte] ，其中包括Extended formats、No explicit flow control，值都是Boolean类型。

五、S7Comm协议

S7Comm数据作为COTP数据包的有效载荷，第一个字节总是0x32作为协议标识符。
S7Comm协议包含三部分：

• Header
• Parameter
• Data

5.1 头(Header)

S7Comm Header的格式为：

Protocol ID： [1 byte]协议常量，始终设置为0x32
Message Type： [1 byte]消息的一般类型（有时称为ROSCTR类型），消息的其余部分在很大程度上取决于Message Type和功能代码。

0x01 - JOB(Request： job with acknowledgement)：作业请求。主站发送的请求（例如，读/写存储器，读/写块，启动/停止设备，设置通信）；

0x02 - 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）；

0x03 - 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；

0x07 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…）。

Redundancy Identification (Reserved)：[2 bytes] 冗余数据，通常为0x0000；
Protocol Data Unit Reference：[2 bytes]，协议数据单元参考，通过请求事件增加；
Parameter length：[2 bytes]，参数的总长度
Data length：[2 bytes]，数据长度。如果读取PLC内部数据，此处为0x0000；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：可能错误的常量

11 (unsigned integer, 1 bytes): Error code，错误代码：可能错误的常量

5.2 作业请求(Job)和确认数据响应(Ack_Data)

S7Comm中Job和Ack_Data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。

所以接下来，将进一步介绍各功能码对应的结构和作用。

5.2.1 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。
字段：

Function Code：功能代码，通信设置为0xf0
Reserverd：保留字段，默认为0x00
Max AmQ Caller：Ack队列的大小（主叫）
Max AmQ Callee：Ack队列的大小（被叫）
PDU length： PDU长度。

JOB

Ack_Data

其协商结果为：ACK队列的大小为1；最大PDU长度为240。

5.2.2 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。

5.2.2.1 当PDU为JOB时

S7 comm结构如下：

Parameter字段是Item count：

1、Variable specification：确定项目结构的主要类型，通常为0x12，代表变量规范；
2、Length of following address specification：本Item其余部分的长度
3、Syntax Ids of variable specification：确定寻址模式和其余项目结构的格式；
4、Transport sizes in item data：确定变量的类型和长度；
5、Request data length：请求的数据长度
6、DB number，DB模块的编号，如果访问的不是DB区域，此处为0x0000；
7、 Area：区域类型。
8、Address：地址。

图中item1是读取DB1的0x000010（DB1.DBX 2.0 BIT 1）值，并且类型为BIT的请求。

5.2.2.2 当PDU为Ack_Data时

S7 comm结构如下：

其Parameter只有function、item count两个字段。
下面是

Data

Return code：1 byte，返回代码；
Transport size：1 byte，数据的传输尺寸；
Length：2 bytes，数据的长度；
Data：数据；
Fill byte：填充字节。

上图的响应包如下：

item【1】是读取DB1的0x000010（DB1.DBX 2.0 BIT 1）值，并且类型为BIT的响应，其响应的数据为01

5.2.3 写入值（Write Var [0x05]）

S7comm的结构（写入值的作业请求）：

由此，Data的结构为：

Return code：返回代码，这里是未定义，所以为Reserved（0x00）；
Transport size：确定变量的类型和长度：
Length：2 bytes，写入值的数据长度；
Data：1byte，写入的值；
Fill byte：填充字节，如果数据的长度不足Length的话，则填充；

向地址为0x000008的Flags（M）写入0x00的作业请求

S7comm的结构（写入值的确认数据响应）

图中的item【1】，说明向地址为0x000008的Flags（M）写入0x00成功！

六、简单总结-S7协议工作流程

1、client与server通过socket建立连接，过程是标准的TCP连接方式，这一步完成连接的建立
2、client发送COTP，请求连接PLC，报文中包含CR Connect Request和Destination TSAP，从而标识出CPU的机架号和槽号
3、PLC返回COTP，确认连接，报文中包含CC Connect Confirm，此时server已经明确client与哪个CPU进行通讯
4、client发送S7 Communication给server，报文中包含Setup communication，即通讯请求
5、server返回S7 Communication给client，报文的ROSCTR为ACK_DATA，有确认的意思，包含了对作业请求的回复
6、client与server发送交换数据的报文，仍以S7 Communication完成