單片機(jī)攻擊技術(shù)及侵入過程

楊久河 欒志福 籍成章

1 目前單片機(jī)攻擊技術(shù)

1.1 軟件攻擊該技術(shù)通常使用處理器通信接口并利用協(xié)議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來進(jìn)行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個(gè)典型事例是對早期ATMEL AT89C系列單片機(jī)的攻擊。攻擊者利用該系列單片機(jī)擦除操作時(shí)序設(shè)計(jì)上的漏洞,使用自編程序在擦除加密鎖定位后,停止下一步擦除片內(nèi)程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的操作,從而使加過密的單片機(jī)變成沒加密的單片機(jī),然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。

1.2 電子探測攻擊該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來監(jiān)控處理器在正常操作時(shí)所有電源和接口連接的模擬特性,并通過監(jiān)控它的電磁輻射特性來實(shí)施攻擊。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一個(gè)活動(dòng)的電子器件,當(dāng)它執(zhí)行不同的指令時(shí),對應(yīng)的電源功率消耗也相應(yīng)變化。這樣通過使用特殊的電子測量儀器和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析和檢測這些變化,即可獲取單片機(jī)中的特定關(guān)鍵信息。

1.3 過錯(cuò)產(chǎn)生技術(shù)該技術(shù)使用異常工作條件來使處理器出錯(cuò),然后提供額外的訪問來進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過錯(cuò)產(chǎn)生攻擊手段包括電壓沖擊和時(shí)鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來禁止保護(hù)電路工作或強(qiáng)制處理器執(zhí)行錯(cuò)誤操作。時(shí)鐘瞬態(tài)跳變也許會(huì)復(fù)位保護(hù)電路而不會(huì)破壞受保護(hù)信息。電源和時(shí)鐘瞬態(tài)跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執(zhí)行。

1.4 探針技術(shù)該技術(shù)是直接暴露芯片內(nèi)部連線,然后觀察、操控、干擾單片機(jī)以達(dá)到攻擊目的。

為了方便起見,人們將以上4種攻擊技術(shù)分成2類,一類是侵入型攻擊(物理攻擊),一類是非侵入型攻擊。侵入型攻擊需要破壞封裝,然后借助半導(dǎo)體測試設(shè)備、顯微鏡和微定位器,在專門的實(shí)驗(yàn)室花上幾小時(shí)甚至幾周時(shí)間才能完成。所有的微探針技術(shù)都屬于侵入型攻擊。另外3種方法屬于非侵入型攻擊,被攻擊的單片機(jī)不會(huì)被物理損壞。

2 侵入型攻擊的一般過程

侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝。有2種方法可以達(dá)到這一目的:第一種是完全溶解掉芯片封裝,暴露金屬連線;第二種是只移掉硅核上面的塑料封裝。第一種方法需要將芯片綁定到測試夾具上,借助綁定臺(tái)來操作。第二種方法除了需要攻擊者具備一定的知識(shí)和必要的技能外,還需要個(gè)人的智慧和耐心,但操作起來相對比較方便。

芯片上面的塑料可以用小刀揭開,芯片周圍的環(huán)氧樹脂可以用濃硝酸腐蝕掉。熱的濃硝酸會(huì)溶解掉芯片封裝而不會(huì)影響芯片及連線。該過程一般在非常干燥的條件下進(jìn)行,因?yàn)樗拇嬖诳赡軙?huì)侵蝕已暴露的鋁線連接。

接著在超聲池里先用丙酮清洗該芯片以除去殘余硝酸,然后用清水清洗以除去鹽分并干燥。沒有超聲池,一般就跳過這一步。這種情況下,芯片表面會(huì)有點(diǎn)臟,但是不太影響紫外光對芯片的操作效果。

最后一步是尋找保護(hù)熔絲的位置并將保護(hù)熔絲暴露在紫外光下。一般用一臺(tái)放大倍數(shù)至少100倍的顯微鏡,從編程電壓輸入腳的連線跟蹤進(jìn)去,來尋找保護(hù)熔絲。若沒有顯微鏡,則采用將芯片的不同部分暴露到紫外光下并觀察結(jié)果的方式進(jìn)行簡單的搜索。操作時(shí)應(yīng)用不透明的紙片覆蓋芯片以保護(hù)程序存儲(chǔ)器不被紫外光擦除。將保護(hù)熔絲暴露在紫外光下5～10分鐘就能破壞掉保護(hù)位的保護(hù)作用,之后使用簡單的編程器就可直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

對于使用防護(hù)層來保護(hù)EEPROM單元的單片機(jī)來說,使用紫外光復(fù)位保護(hù)電路是不可行的。對于這種類型的單片機(jī),一般使用微探針技術(shù)來讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容。在芯片封裝打開后,將芯片置于顯微鏡下就能夠很容易地找到從存儲(chǔ)器連到電路其他部分的數(shù)據(jù)總線。由于某種原因,芯片鎖定位在編程模式下并不鎖定對存儲(chǔ)器的訪問。利用這一缺陷將探針放在數(shù)據(jù)線的上面就能讀到所有想要的數(shù)據(jù)。在編程模式下,重啟讀過程并連接探針到另外的數(shù)據(jù)線上就可以讀出程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的所有信息。

還有一種可能的攻擊手段是借助顯微鏡和激光切割機(jī)等設(shè)備來尋找保護(hù)熔絲,從而尋查和這部分電路相聯(lián)系的所有信號(hào)線。由于設(shè)計(jì)有缺陷,因此,只要切斷從保護(hù)熔絲到其他電路的某一根信號(hào)線,就能禁止整個(gè)保護(hù)功能。由于某種原因,這根線離其他的線非常遠(yuǎn),所以使用激光切割機(jī)完全可以切斷這根線而不影響臨近線。這樣,使用簡單的編程器就能直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

3 小結(jié)

雖然大多數(shù)普通單片機(jī)都具有熔絲燒斷保護(hù)單片機(jī)內(nèi)代碼的功能,但由于通用低檔的單片機(jī)并非定位于制作安全類產(chǎn)品,因此,它們往往沒有提供有針對性的防范措施且安全級(jí)別較低。加上單片機(jī)應(yīng)用場合廣泛,銷售量大,廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁,大量技術(shù)資料外瀉,使得利用該類芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠商的測試接口,并通過修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。