基于USB的三種攻擊及相應(yīng)防護方法

張潤業(yè)

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，惡意攻擊的形式已不僅僅停留在惡意程序上，惡意硬件逐漸登上攻防舞臺。惡意硬件的出現(xiàn)使人們改變了對計算機網(wǎng)絡(luò)攻擊行為的認識，打開了信息安全領(lǐng)域新的篇章。惡意硬件是一系列具有攻擊計算機與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力的硬件。通常通過外部連接計算機，隨后自動運行攻擊腳本，并上傳惡意程序；或使物理隔離的計算機能夠進行無線通訊，從而進行進一步的攻擊行為。

USB（UniversalSerialBus，通用串行總線）接口是當(dāng)今計算機與各種設(shè)備中使用最廣泛、最通用的通訊接口。利用USB這種廣泛使用的通用接口研制的惡意硬件更是受到了黑客們的青瞇，成為惡意硬件中比較流行的幾種技術(shù)之一。利用這種被稱為惡意USB設(shè)備的新型惡意設(shè)備可以有效地向大多數(shù)計算機與移動設(shè)備進行攻擊。與曾經(jīng)的“autorun.inf”病毒通過感染USB存儲設(shè)備進行傳播不同，惡意USB硬件設(shè)備是將惡意程序直接通過固件或者硬件電路的形式植入到USB設(shè)備中，當(dāng)設(shè)備與目標(biāo)連接后，在特定條件下觸發(fā)激活惡意代碼，執(zhí)行惡意程序。惡意USB設(shè)備相比惡意軟件具有更大的威脅，由于惡意USB設(shè)備是將惡意程序隱藏在芯片內(nèi)部，只要不激活就很難被發(fā)現(xiàn)，因此它可以在目標(biāo)設(shè)備中長期潛伏，常規(guī)檢測方式難以發(fā)現(xiàn)并進行處理，即使被發(fā)現(xiàn)也難以通過軟件清除，給計算機安全帶來了新的挑戰(zhàn)。

2009年，研究人員Chen等人在Defcon安全會議上，展示了利用蘋果鍵盤的固件攻擊MACOSX的方法。2014年曝光的“棱鏡門”事件披露了美國國家安全局研發(fā)的一種間諜工具—“Cottonmouth（水蝮蛇）”。這是一種使用USB接口的微型間諜設(shè)備，連接到目標(biāo)計算機后在黑客的控制下植入惡意程序，通過無線芯片向外發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣即使計算機與網(wǎng)絡(luò)物理隔離（即“氣隙系統(tǒng)”），也可以通過這種惡意硬件獲得數(shù)據(jù)。更著名的一例是KarstenNohl等于2014年8月在美國黑帽子大會上所展示的“BadUSB”攻擊，利用USB支持多種接口的特點，通過固件升級、逆向工程等手段在固件中增加新接口并植入惡意代碼，在提供正常功能的同時，成功獲取操作系統(tǒng)的控制權(quán)限、關(guān)閉殺毒軟件、下載惡意軟件等，隱蔽性極高。另外，也有人利用搭載ATmega32u4微處理器的Teensy2.0開發(fā)板，通過模擬鍵盤的操作在目標(biāo)計算機上執(zhí)行惡意代碼。

一、攻擊原理

USB只是一個總線型數(shù)據(jù)通路，在這條總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過定義不同的接口指定了數(shù)據(jù)的傳輸類型，接口之中又定義了端點，用于交換數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)根據(jù)不同的接口，將數(shù)據(jù)交給不同的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)根據(jù)指定的端點進行交換、傳輸。其中0端點是保留的控制端點，所有接口不可以使用。每次通信過程由主機發(fā)起，通過握手和設(shè)備建立通信。接口、端點、USB設(shè)備的識別碼等信息通過描述符形式告訴主機，這個過程稱為“枚舉”。成功枚舉后USB設(shè)備就可以和主機正常交換數(shù)據(jù)了。HID接口是USB設(shè)備中運用最廣泛的一種，很多人機交互設(shè)備都使用這種接口，如日常使用的鍵盤、鼠標(biāo)等。

USB設(shè)備便捷的背后，也隱藏著安全隱患。首先是鍵盤和鼠標(biāo)在操作系統(tǒng)的設(shè)置有問題。在計算機中，操作系統(tǒng)中HID設(shè)備最初設(shè)計的目的是人機交互的接口，鍵盤、鼠標(biāo)就是人類的代表，它的每個操作、每組數(shù)據(jù)都是在用戶的允許和操作下發(fā)出的，收到數(shù)據(jù)后，操作系統(tǒng)直接調(diào)用驅(qū)動程序響應(yīng)操作。這個過程中缺少校驗環(huán)節(jié)，無條件信任本身就違反了安全設(shè)計準(zhǔn)則。不作校驗就使用的這些數(shù)據(jù)，給操作系統(tǒng)帶來了很大的安全隱患，相關(guān)的安全策略更是直接放行這部分的操作，缺少相關(guān)的限制。惡意USB設(shè)備通過獲取HID接口，模擬計算機管理員的操作，繞過安全策略，獲取操作系統(tǒng)權(quán)限。由于這種HID設(shè)備直接代表用戶，所以有很高的操作權(quán)限。

雖然Windows7系統(tǒng)引入了權(quán)限控制的機制，但是來自鍵盤、鼠標(biāo)的操作依然代表著用戶的最高權(quán)限。因為是高權(quán)限，所以USB協(xié)議并未對這部分設(shè)備作有效的管控，任何一個USB設(shè)備都可以通過枚舉成為HID設(shè)備，如果一個USB設(shè)備能以HID鍵盤設(shè)備的描述出現(xiàn)在電腦中，就意味著它將獲得很大的權(quán)限自由。比如模擬用戶的操作、運行應(yīng)用程序，這樣一個普通的USB端口就可以完成很多用戶操作。目前已知的幾種惡意USB設(shè)備都是通過這種HID接口提升權(quán)限，運行惡意程序的。

二、防護策略

1.傳統(tǒng)BadUSB設(shè)備防護

第一種類型的攻擊為BadUSB。2015年2月，俄羅斯黑客DarkPurple設(shè)計了一種惡意USB設(shè)備，將其插入計算機時可以破壞掉計算機敏感元件。其原理類似于計算機生產(chǎn)時進行ESD測試所使用的儀器，但電流是常規(guī)ESD測試儀的數(shù)百倍之高。該設(shè)備主要電路由一個直流升壓器、數(shù)個電容和一個場效應(yīng)管構(gòu)成，當(dāng)被插入目標(biāo)設(shè)備時，升壓器將電容充電至-110V，然后由場效應(yīng)管作為開關(guān)導(dǎo)通電容與USB的數(shù)據(jù)線路。負高電壓會迅速燒毀目標(biāo)設(shè)備的相關(guān)電路，導(dǎo)致設(shè)備無法工作，以達到攻擊目的。該設(shè)備于當(dāng)年10月發(fā)布第二個版本。新版本將電壓升高至-220V，能夠破壞更多設(shè)備。

BadUSB這種通過USB固件植入惡意程序的攻擊方法很難防范。惡意代碼在底層硬件中，操作系統(tǒng)不能直接刪除，也不能簡單地使用白名單方式禁用部分USB設(shè)備，因為USB設(shè)備沒有唯一的識別序列號，它可以通過修改相應(yīng)的ID欺騙主機。分析整個攻擊過程，惡意USB設(shè)備利用HID鍵盤提升權(quán)限是整個過程的關(guān)鍵，而這個過程主要還是利用了系統(tǒng)對設(shè)備的盲目信任。因此，當(dāng)操作系統(tǒng)在給HID設(shè)授權(quán)時，如果加以驗證，區(qū)別人機操作，就可以阻止這種問題的發(fā)生。

2.無線BadUSB設(shè)備防護

第二種類型的攻擊為無線BadUSB攻擊。一個是HID接口使用鍵盤協(xié)議，在日常情況下偽裝成鍵盤，連接在電腦上，執(zhí)行普通的鍵盤功能，當(dāng)收到無線控制指令時在不需要任何軟件漏洞的情況下提升權(quán)限執(zhí)行用戶操作；另一個是使用HID數(shù)據(jù)接收協(xié)議用來收發(fā)數(shù)據(jù)。在無人操作的情況下運行HID數(shù)據(jù)傳輸軟件，通過USB接口向單片機傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備嵌入在鍵盤中通過無線控制，正常工作時在設(shè)備管理器中只有“人體學(xué)輸入設(shè)備”顯示，具有更好的隱蔽性，可以長期在目標(biāo)設(shè)備上連接而不易被發(fā)現(xiàn)，同時也可以監(jiān)控鍵盤的數(shù)據(jù)，記錄用戶的按鍵內(nèi)容。通過這種方式可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隔離環(huán)境下的涉密計算機的攻擊，不依賴傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)途徑，有更靈活的選擇，而且過程非常隱蔽。這個問題可以使用已經(jīng)成熟的人機身份校驗技術(shù)，如驗證碼、驗證語音等方式，在設(shè)備插入時進行驗證。在使用過程中也需要不斷地分析對比操作內(nèi)容，識別異常行為，對可疑的機器行為通過驗證碼反復(fù)確認，確保安全，以保證從源頭阻斷攻擊過程。

3.USB Killer設(shè)備防護

第三種類型的攻擊為USBKiller攻擊。USBKiller設(shè)備的攻擊原理實為靜電放電（ESD），只是其電流大于常規(guī)靜電。因此，若在USB接口與設(shè)備主板間加入可靠的ESD防護組件，即可保護關(guān)鍵元件不受攻擊。目前已知的技術(shù)中，AZ1045、AZ1065系列ESD保護組件能夠有效地保護目標(biāo)設(shè)備。其中AZ1045-04SU系列針對USB2.0使用，AZ1065-06F系列可針對USB3.0或2.0使用。

三、總結(jié)

雖然惡意USB技術(shù)威脅大，攻擊方式隱蔽，但是目前攻擊手段有限?；诖耍瑧?yīng)加強USB設(shè)備管控技術(shù)，提高對于此類問題的安全意識。對于接入涉密計算機的USB設(shè)備，要確保其安全性，最好能從電路層面進行檢查，對于不能保證安全性的USB外設(shè)要謹(jǐn)慎使用。要定期檢查涉密計算機設(shè)備管理器，對于可疑設(shè)備要積極排查以防留有安全隱患。