S7commPlusDriver

Kommunikationstreiber für den Datenaustausch mit S7-1200/1500 Steuerungen.

Entwicklungsstand

Dies ist aktuell ein Entwicklungsstand und nicht für den Produktiveinsatz vorgesehen.

Ziel ist es, einen Kommunikationstreiber zu entwickeln, welcher den Zugriff auf den Variablenhaushalt von S7 1200/1500 Steuerungen über den symbolischen Zugriff auf sogenannte "optimierte" Bereiche erlaubt.

Diese Implementierung ist vollständig in C# verfasst. Für die TLS-Verschlüsselung wird die OpenSSL-Bibliothek verwendet.

Systemvorraussetzungen

CPU

Der Kommunikationstreiber unterstützt ausschließlich CPUs mit einer Firmware welche die sichere Kommunikation über das TLS-Protokoll erlaubt. Das wären nach aktuellem Wissensstand

• S7 1200 mit einer Firmware >= V4.3 (TLS 1.3 ab V4.5)
• S7 1500 mit einer Firmware >= V2.9

Wichtig ist dabei, dass nicht nur nur eine CPU mit entsprechender Firmware vorhanden ist, sondern auch in der Entwicklungsumgebung mit der ensprechenden Version projektiert wurde. Das ist nur mit einer TIA-Portal Version >= V17 möglich.

OpenSSL

Für die TLS-Kommunikation wird OpenSSL verwendet. Ist OpenSSL in der entsprechenden Version installiert, dann sollte ein entsprechender Systempfad zum Installationsverzeichnis eingetragen sein. Die notwendigen dlls sind aber auch im Projekt abgelegt, und werden im Buildprozess in der notwendigen Version (x86 oder x64) in das Ausgabeverzeichnis kopiert. Die notwendigen dlls mit Dateinamen je nach verwendetem Betriebssystem:

Für 32 Bit (x86):

• libcrypto-3.dll
• libssl-3.dll

Für 64 Bit (x64):

• libcrypto-3-x64.dll
• libssl-3-x64.dll

Getestete Kommunikation

Mit folgenden Geräten wurde bisher erfolgreich getestet:

• S7 1211 mit Firmware V4.5
• TIA Plcsim V17 (mit Nettoplcsim)
• TIA Plcsim V18 (mit Nettoplcsim)

Analyse mit Wireshark

Aufgrund der Verschlüsselung können die übertragenen Daten ohne weitere Informationen mit Wireshark nicht mehr eingesehen werden. Zur Treiberentwicklung ist im Projekt eine Funktion integriert, welche die ausgehandelten Secrets in eine Textdatei (key_YYYYMMDD_hhmmss.log) ausgibt. Mit diesen Informationen ist es Wireshark möglich die Kommunikation zu entschlüsseln und darzustellen. Wichtig ist dabei, dass die Aufzeichnung den TLS-Verbindungsaufbau enthalten muss!

Um Wireshark diese Information verfügbar zu machen, existieren zwei Möglichkeiten:

1. Die Log-Datei in ein Verzeichnis abzulegen und Wireshark dieses bekannt zu machen. Dazu in Wireshark Menü → Einstellungen aufrufen. Unter Protocols den Punkt TLS anwählen, und im Feld (Pre)-Master-Secret log filename die entsprechende Datei auswählen
2. Die Secrets direkt in die Wireshark-Aufzeichnung integrieren

Zur Weitergabe an andere Personen zur Analyse, ist Punkt 2 zu bevorzugen, da alles notwendige in einer Aufzeichnung vorhanden ist. Die Integration geschieht über das Programm "editcap.exe" im Wireshark Installationsverzeichnis. Dazu muss eine Aufzeichnung in Wireshark mit der Endung .pcapng gespeichert werden.

Über die Eingabeaufforderung werden mit folgender Anweisung in die Aufzeichnung "test-capture.pcapng" die Secrets aus "key.log" integriert, und in der Datei "test-capture-with-keys.pcapng" gespeichert. Wird letztere Datei dann in Wireshark geöffnet, kann die Kommunikation dort entschlüsselt, dekodiert und dem Protokoll entsprechend dargestellt werden. Die key.log kann bei Bedarf anschließend gelöscht werden.

"C:\Program Files\Wireshark\editcap.exe" --inject-secrets tls,key.log test-capture.pcapng test-capture-with-keys.pcapng

Zur Vereinfachung habe ich ein kleines Hilfsprogramm mit einer grafischen Oberfläche geschrieben, auf das die Dateien per Drag&Drop gezogen werden können, und das auf Tastendruck editcap aufruft. Das Programm ist hier verfügbar:

https://github.com/thomas-v2/PcapKeyInjector

Damit Wireshark das S7comm-Plus Protokoll dekodieren kann, ist die entsprechende dll in das Wireshark Installationsverzeichnis abzulegen. Näheres dazu, und Download der dll bei Sourceforge unter:

https://sourceforge.net/projects/s7commwireshark/

PlcTag-Klasse: Umsetzung der SPS Datentypen in PlcTags

Bei einigen Datentypen ist es notwendig, zur Verarbeitung der Antwort der SPS den Typ vorab zu kennen, um ihn in ein sinnvollen Datentyp in .Net zu konvertieren. Dazu wird die PlcTag Klasse bereitgestellt.

In der Tabelle sind alle in der SPS zur Zeit (TIA V18) möglichen Datentypen aufgeführt, mit dem Datentyp in dem sie auf dem Netzwerk im S7comm-Plus-Protokoll übertragen werden, sowie welchen .Net Datentyp in den PlcTag-Klassen daraus resultiert.

Supported	PLC Datentyp	PLC Kategorie	PLC Info	Netzwerk Datentyp	.Net Datentyp PlcTag	Sonstiges
✓	AOM_IDENT	Hardwaredatentypen		ValueDWord	PlcTagDWord -> uint
✓	Any	Zeiger	Parameter	ValueUSIntArray[10]	byte[10]
✓	Array[n..m]					Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	Block_FB	Parametertypen	Parameter	ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	Block_FC	Parametertypen	Parameter	ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	Bool	Binärzahlen		ValueBool	bool
✓	Byte	Bitfolgen		ValueByte	byte
✓	CONN_ANY	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	CONN_OUC	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	CONN_PRG	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	CONN_R_ID	Hardwaredatentypen		ValueDWord	PlcTagDWord -> uint
✓	CREF	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	Char	Zeichenfolgen		ValueUSInt	char	Encoding Voreinstellung ISO-8859-1 für non-ASCII
✓	Counter	Parametertypen	Parameter	ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	Date	Datum und Uhrzeit		ValueUInt	DateTime	TODO: Nur Datum gültig!
✓	Date_And_Time	Datum und Uhrzeit		ValueUSIntArray[8]	DateTime
✓	DB_ANY	Hardwaredatentypen		ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	DB_DYN	Hardwaredatentypen		ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	DB_WWW	Hardwaredatentypen		ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	DInt	Ganzzahlen		ValueDInt	int
✓	DTL	Datum und Uhrzeit		ValueStruct / packed	DateTime + uint (for ns)	Nanosekunden extern, da kein .Net Typ mit ns. Experimental!
✓	DWord	Bitfolgen		ValueDWord	uint
✓	EVENT_ANY	Hardwaredatentypen		ValueDWord	PlcTagDWord -> uint
✓	EVENT_ATT	Hardwaredatentypen		ValueDWord	PlcTagDWord -> uint
✓	EVENT_HWINT	Hardwaredatentypen		ValueDWord	PlcTagDWord -> uint
✓	ErrorStruct			ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	HW_ANY	Hardwaredatentypen		ValueWord
✓	HW_DEVICE	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_DPMASTER	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_DPSLAVE	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_HSC	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_IEPORT	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_INTERFACE	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_IO	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_IOSYSTEM	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_MODULE	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_PTO	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_PWM	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	HW_SUBMODULE	Hardwaredatentypen		ValueWord	PlcTagWord -> ushort
✓	IEC_COUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		33554462, Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_DCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_LCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_LTIMER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_SCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_TIMER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		33554463, Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_UCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_UDCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_ULCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	IEC_USCOUNTER	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	Int	Ganzzahlen		ValueInt	short
✓	LDT	Datum und Uhrzeit		ValueTimestamp	ulong
✓	LInt	Ganzzahlen		ValueLInt	long
✓	LReal	Gleitpunktzahlen		ValueLReal	double
✓	LTime	Zeiten		ValueTimespan	long	Anzahl ns
✓	LTime_Of_Day (LTOD)	Datum und Uhrzeit		ValueULInt	ulong	Anzahl ns seit 00:00:00 Uhr
✓	LWord	Bitfolgen		ValueLWord	ulong
✓	NREF	Systemdatentypen		ValueStruct / packed		Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	OB_ANY	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_ATT	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_CYCLIC	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_DELAY	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_DIAG	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_HWINT	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_PCYCLE	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_STARTUP	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_TIMEERROR	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	OB_TOD	Hardwaredatentypen		ValueInt	PlcTagInt -> short
✓	PIP	Hardwaredatentypen		ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	Pointer	Zeiger	Parameter	ValueUSIntArray[6]	byte[6]
✓	PORT	Hardwaredatentypen		ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	RTM	Hardwaredatentypen		ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	Real	Gleitpunktzahlen		ValueReal	float
✓	Remote	Zeiger	Parameter	ValueUSIntArray[10]	PlcTagAny -> byte[10]	Identisch zu Any-Pointer
✓	S5Time	Zeiten		ValueWord	ushort, ushort	TODO: TimeBase, TimeValue. Vereinheitlichen?
✓	SInt	Ganzzahlen		ValueSInt	sbyte
✓	String	Zeichenfolgen		ValueUSIntArray[stringlen + 2]	string	Encoding Voreinstellung ISO-8859-1 für non-ASCII
✓	Struct					Zugriff auf Einzelelemente direkt möglich
✓	Time	Zeiten		ValueDInt	int	Anzahl ms mit Vorzeichen
✓	Time_Of_Day (TOD)	Datum und Uhrzeit		ValueUDInt	uint	Anzahl ms seit 00:00:00 Uhr
✓	Timer	Parametertypen	Parameter	ValueUInt	PlcTagUInt -> ushort
✓	UDInt	Ganzzahlen		ValueUDInt	uint
✓	UInt	Ganzzahlen		ValueUInt	ushort
✓	ULInt	Ganzzahlen		ValueULInt	ulong
✓	USInt	Ganzzahlen		ValueUSInt	byte
✗	Variant	Zeiger	Parameter			Erhält keine Adresse
✓	WChar	Zeichenfolgen		ValueUInt	char
✓	WString	Zeichenfolgen		ValueUIntArray[stringlen + 2]	string
✓	Word	Bitfolgen		ValueWord	ushort

Lizenz

Soweit nicht anders vermerkt, gilt für alle Quellcodes die GNU Lesser General Public License, Version 3 oder später.

Authors

• Thomas Wiens - Initial work - thomas-v2