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)跳變也許會復(fù)位保護(hù)電路而不會破壞受保護(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,借助綁定臺來操作。第二種方法除了需要攻擊者具備一定的知識和必要的技能外,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。熱的濃硝酸會溶解掉芯片封裝而不會影響芯片及連線。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治g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。