單片機攻擊技術及侵入過程

楊久河 欒志福 籍成章

1 目前單片機攻擊技術

1.1 軟件攻擊該技術通常使用處理器通信接口并利用協議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來進行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個典型事例是對早期ATMEL AT89C系列單片機的攻擊。攻擊者利用該系列單片機擦除操作時序設計上的漏洞,使用自編程序在擦除加密鎖定位后,停止下一步擦除片內程序存儲器數據的操作,從而使加過密的單片機變成沒加密的單片機,然后利用編程器讀出片內程序。

1.2 電子探測攻擊該技術通常以高時間分辨率來監控處理器在正常操作時所有電源和接口連接的模擬特性,并通過監控它的電磁輻射特性來實施攻擊。因為單片機是一個活動的電子器件,當它執行不同的指令時,對應的電源功率消耗也相應變化。這樣通過使用特殊的電子測量儀器和數學統計方法分析和檢測這些變化,即可獲取單片機中的特定關鍵信息。

1.3 過錯產生技術該技術使用異常工作條件來使處理器出錯,然后提供額外的訪問來進行攻擊。使用最廣泛的過錯產生攻擊手段包括電壓沖擊和時鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來禁止保護電路工作或強制處理器執行錯誤操作。時鐘瞬態跳變也許會復位保護電路而不會破壞受保護信息。電源和時鐘瞬態跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執行。

1.4 探針技術該技術是直接暴露芯片內部連線,然后觀察、操控、干擾單片機以達到攻擊目的。

為了方便起見,人們將以上4種攻擊技術分成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,然后借助半導體測試設備、顯微鏡和微定位器,在專門的實驗室花上幾小時甚至幾周時間才能完成。所有的微探針技術都屬于侵入型攻擊。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行,因為水的存在可能會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,芯片表面會有點臟,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熔絲的位置并將保護熔絲暴露在紫外光下。一般用一臺放大倍數至少100倍的顯微鏡,從編程電壓輸入腳的連線跟蹤進去,來尋找保護熔絲。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果的方式進行簡單的搜索。操作時應用不透明的紙片覆蓋芯片以保護程序存儲器不被紫外光擦除。將保護熔絲暴露在紫外光下5～10分鐘就能破壞掉保護位的保護作用,之后使用簡單的編程器就可直接讀出程序存儲器的內容。

對于使用防護層來保護EEPROM單元的單片機來說,使用紫外光復位保護電路是不可行的。對于這種類型的單片機,一般使用微探針技術來讀取存儲器內容。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據總線。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據線的上面就能讀到所有想要的數據。在編程模式下,重啟讀過程并連接探針到另外的數據線上就可以讀出程序和數據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等設備來尋找保護熔絲,從而尋查和這部分電路相聯系的所有信號線。由于設計有缺陷,因此,只要切斷從保護熔絲到其他電路的某一根信號線,就能禁止整個保護功能。由于某種原因,這根線離其他的線非常遠,所以使用激光切割機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容。

3 小結

雖然大多數普通單片機都具有熔絲燒斷保護單片機內代碼的功能,但由于通用低檔的單片機并非定位于制作安全類產品,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。加上單片機應用場合廣泛,銷售量大,廠商間委托加工與技術轉讓頻繁,大量技術資料外瀉,使得利用該類芯片的設計漏洞和廠商的測試接口,并通過修改熔絲保護位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機的內部程序變得比較容易。