STM32F10x的啟動文件跳轉(zhuǎn)攻擊方案設計

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(1.陸軍裝甲兵學院 信息通信系，北京 100071; 2.73630部隊)

引 言

一般嵌入式產(chǎn)品應用環(huán)境不會對硬件采取特殊的保護措施，而嵌入式系統(tǒng)的硬件又直接影響著系統(tǒng)工作的安全性，這為嵌入式系統(tǒng)帶來了許多安全隱患，同時近年來嵌入式設備信息安全事故頻發(fā)，系統(tǒng)的信息安全問題引起社會的廣泛關注[1-4]，越來越多的學者投入嵌入式系統(tǒng)漏洞的挖掘和研究工作。

林郭安、黃強等人[5]根據(jù)STM32芯片的啟動特點，設計了一種由后至前遍歷獲取程序入口地址，通過修改程序入口地址實現(xiàn)源碼復制竊取的目的，但該方法的遍歷階段具有盲目性的特點，攻擊效率低。Frank Altschuler和Bruno Zoppis等人[6-7]提出通過向RAM緩存區(qū)傳送大量數(shù)據(jù)，造成緩存區(qū)溢出，從而覆蓋原程序跳轉(zhuǎn)地址以達到攻擊的目的，但這種方法并不適用于運行時直接從Flash區(qū)間讀取代碼的芯片。

本文針對STM32F10x系列控制芯片，根據(jù)其啟動原理，借助仿真器和下載接口，將惡意軟件載入目標芯片F(xiàn)lash空余扇區(qū)，在調(diào)試模式運行惡意軟件，并從中篡改原啟動文件的程序跳轉(zhuǎn)指針，從而改變原程序啟動時的運行順序，使得植入的惡意軟件得到執(zhí)行，實現(xiàn)攻擊目的，實驗證明該方法具有針對性強、攻擊效率高、方法簡單易于實施的特點。

STM32F10x系列芯片采用32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻高達72 MHz，型號眾多、片上資源豐富，具有功耗低、性能強、性價比高的特點[8]，可以很好地滿足各類中低端嵌入式產(chǎn)品市場需求，在ARM系列微控制器市場占有率高[9]，對STM32F10x系列芯片的攻擊研究具有重要的市場價值和借鑒意義。

1 原理分析

加載啟動文件是STM32微控制器在啟動時執(zhí)行的第一段程序，由匯編語言編寫，它的作用包括配置中斷向量、堆棧初始化、系統(tǒng)時鐘初始化以及跳轉(zhuǎn)至main函數(shù)等[10]。啟動文件根據(jù)STM32具體型號而定，STM32F10x系列芯片共有小型容量、中型容量、大型容量等8種啟動文件，這些啟動文件在ST官方網(wǎng)站即可獲取，芯片只有匹配了正確的啟動文件才能正常運行。在實施嵌入式系統(tǒng)攻擊時往往無法得知目標芯片的代碼信息，但是獲取其型號信息并不困難，只要在植入惡意代碼中匹配相應的啟動文件，就可以正確配置芯片，使得惡意代碼在芯片上正常啟動并運行。

Cortex-M3內(nèi)核規(guī)定[11]，映射存儲空間的起始地址存放堆棧指針，第二個地址存放復位中斷向量指針，在芯片啟動時，硬件首先會根據(jù)復位中斷向量指針跳轉(zhuǎn)到復位中斷函數(shù)，進行內(nèi)核堆棧初始化和中斷向量初始化工作，然后執(zhí)行System_Init進行系統(tǒng)時鐘初始化，最后通過__main函數(shù)跳轉(zhuǎn)到主函數(shù)執(zhí)行用戶代碼。本實驗根據(jù)Cortex-M3內(nèi)核啟動順序，重定位復位中斷向量指針，從而在復位時跳轉(zhuǎn)至惡意軟件執(zhí)行，然后跳轉(zhuǎn)回原啟動文件執(zhí)行原程序，保證了原代碼的完整性和嵌入式攻擊的隱蔽性。

對目標實施攻擊后的代碼執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 攻擊目標代碼執(zhí)行流程

一般情況下，映射存儲空間為MCU內(nèi)部Flash，出于產(chǎn)品優(yōu)化升級考慮，嵌入式產(chǎn)品都會在Flash內(nèi)部預留出多余扇區(qū)[5,13]，這為惡意代碼的植入提供了可用空間，F(xiàn)lash的讀寫保護僅對外界讀寫操作有效，不能阻止原有程序?qū)lash的操作，這為惡意代碼提供了執(zhí)行條件。惡意代碼一經(jīng)執(zhí)行，就會篡改原程序復位中斷向量指針，在下次芯片燒錄之前，攻擊一直有效。

2 方案設計

汽車實驗采用搭載STM32F103VET6芯片的指南者開發(fā)板，該芯片F(xiàn)lash容量為512 KB，應用CMSIS-DAP標準的仿真器，上位機系統(tǒng)環(huán)境為Windows7，使用ST公司提供的編譯開發(fā)環(huán)境MDK，以及串口調(diào)試助手。

首先利用MDK將惡意代碼下載至芯片F(xiàn)lash的最后扇區(qū)，然后通過仿真器的Debug模式從惡意代碼區(qū)啟動，并在惡意代碼中修改原啟動文件的復位中斷向量指針，最后在惡意程序中跳轉(zhuǎn)回原啟動文件，重新初始化系統(tǒng)運行原代碼，之后系統(tǒng)每次復位都會優(yōu)先執(zhí)行攻擊代碼后再跳轉(zhuǎn)回原代碼執(zhí)行。

在指南者開發(fā)板上進行簡單的流水燈作業(yè)，注入惡意代碼的功能為蜂鳴器響起并延時1 s，并向串口輸出“攻擊成功”的打印信息，同時可以在Debug模式下觀察PC指針的值以判定攻擊是否成功。

方案實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 啟動文件攻擊實現(xiàn)流程

3 實驗驗證

3.1 實驗過程

(1)惡意軟件下載

為了最大限度確保注入惡意代碼的完整性并且不覆蓋芯片原有代碼，實驗首先分析惡意攻擊軟件的容量，在編譯好的文件中，通過map文件可以查看惡意軟件的大小為3.75 KB，STM32F103VET6芯片內(nèi)Flash容量為512 KB(0x08 0000)，每頁扇區(qū)大小為2 KB，本實驗將惡意代碼燒錄到最后兩片扇區(qū)中，即0x0807 F000～0x0808 0000區(qū)間。通過修改MDK中Options->Target的設置可以實現(xiàn)定位下載地址。

圖3為map文件中惡意代碼大小信息以及Target Memory部分設置界面。

圖3 map文件代碼信息及Target Memory設置頁面

(2)仿真器啟動

為了在啟動時優(yōu)先運行惡意軟件，實驗借助DAP仿真器在Debug模式下復位運行，需要添加初始化文件Debug_RAM.ini，在該文件中設置堆棧指針和PC指針，這樣在Debug模式下啟動時，程序就會被強制跳轉(zhuǎn)到此位置運行，程序如下所示：

FUNC void Setup(void){

SP=_RDWORD(0x0807F000);

PC=_RDWORD(0x0807F004);

_WDWORD(0xE000ED08,0x20000000);

}

LOAD %L INCREMENTAL

Setup();

(3)跳轉(zhuǎn)地址重定位

由于Cortex-M3內(nèi)核在啟動時會根據(jù)映射存儲空間第二個偏移地址(復位中斷向量指針)跳轉(zhuǎn)到復位中斷函數(shù)執(zhí)行，用戶無法改變這一內(nèi)核啟動的順序，但是可以通過Flash自身程序修改復位中斷向量指針的值，從而改變默認跳轉(zhuǎn)地址。通過實驗發(fā)現(xiàn)，STM32F10x系列芯片的復位中斷指針相對Flash的起始空間固定偏移0x145個字節(jié)，當Flash起始地址為0x0807 F000時，復位中斷指針應修改為0x0807 F145，該過程由惡意軟件實現(xiàn)。

由于Flash在寫操作之前必須按頁擦除，故在代碼實現(xiàn)時需要先將Flash起始地址的第一頁內(nèi)容復制到至少2 KB容量的數(shù)組，將數(shù)組中第二個字的內(nèi)容修改成惡意代碼的復位中斷向量指針0x0807 F145，然后再將這一頁內(nèi)容重新寫入Flash，完成復位中斷向量指針的替換。當開發(fā)板重啟時，系統(tǒng)就會先跳轉(zhuǎn)至惡意代碼區(qū)啟動文件進行系統(tǒng)初始化啟動，在執(zhí)行完惡意代碼內(nèi)容后跳轉(zhuǎn)回原啟動文件的復位中斷函數(shù)，重新初始化系統(tǒng)，運行原代碼。

3.2 實驗結(jié)果

對正在進行流水燈作業(yè)的指南者開發(fā)板進行攻擊后，每復位一次開發(fā)板，蜂鳴器鳴笛1 s，并在串口收到“攻擊成功”的調(diào)試信息，在單步調(diào)試模式下，對比攻擊前后映射存儲空間起始地址(0x0800 0000)的第二個字內(nèi)容，如圖4所示，可以清楚看出復位中斷向量地址已被篡改。

圖4 Debug_RAM.ini文件內(nèi)容

結(jié) 語

[1] 蔡舒祺.嵌入式系統(tǒng)安全性分析概述[J].電子技術與軟件工程,2017(3):210-212.

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[10] 劉火良,楊森.STM32庫開實戰(zhàn)指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2017.

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