硬件攻击会威胁到所有带有微控制器（以下简称MK）的设备，因为它们可以绕过各种安全机制。 使用软件或硬件很难抵御这种攻击。 例如，您可以阅读意法半导体的文章 ，内容涉及各种类型的硬件攻击和保护MK的方法。
Raccoon安全团队对这个主题很感兴趣，因为我们公司活动的领域之一是嵌入式设备的开发，包括那些包含信息保护机制的设备。 在大多数情况下，我们对毛刺攻击感兴趣，因为它们使您可以跳过可执行的MK指令。 这是对MK中包含的机密信息的严重威胁，这种攻击最危险的后果是绕过MK开发人员提供的安全机制读取封闭的固件。
在海牙举行的Hardwear.io 2018和纽伦堡的EmbeddedWorld 2019上，NewAE展示了ChipWhisperer设备，该设备可以实现非侵入式硬件攻击的这一部分，不需要深入了解纳米电子学知识和特定设备的可用性。 使用此设备，我们研究了嵌入式设备的安全性，并弄清了如何最大程度地减少此类攻击的结果。 根据削减-我们做了什么。
花栗鼠
ChipWhisperer套件是一个开源工具套件，用于分析最流行的MK（STM，Xmega，Intel D2000，SAM，LPC，MSP，78K等）和FPGA的安全性。 该项目于2015年2月27日在Kickstarter上启动 。 目前，有不同版本的ChipWhisperer（所有选项都可以在目录中找到）。 它们具有不同的工具集，但通常针对以下类型的硬件攻击：
•旁道攻击（SCA）；
•小故障攻击。
为了进一步分析，我们选择了ChipWhisperer-Pro（CW1200），它是目前最古老的ChipWhisperer型号，具有广泛的功能和大型的包装：
ChipWhisperer套件（CW1200）
板载CW1200带有一个示波器，该示波器包括一个可调放大器和一个ADC，采样率为105 MSPS。 这套工具可让您以百分之一毫伏的方式记录信号电平，并获得良好的时基。 同样在CW1200中，还有用于组织CLK毛刺和Vcc毛刺的端口，这些GPIO端口可以分配为用于跟踪事件起源（密码输入请求，下载状态等）的输入触发器。 CW1200通过USB连接到PC，并具有两种与MK的通信协议：UART和SPI。
要使用ChipWhisperer，您必须安装驱动程序，从GitHub下载Python库和可用示例，或在Linux上下载虚拟机的预备映像，其中已预安装了所有库和可用示例。 这些开放库包含：
•与ChipWhisperer的通信协议；
•用于处理对流行加密方法的攻击的数学算法；
•与流行的MK的引导程序进行通信的协议；
•准备的固件，用于在套件中随附的带有MK的板上进行培训。
我们决定浏览旧的 NewAE 网站上的所有教程。 现在正在开发另一个资源 ，其中提供了更多相关信息，并且有一个论坛 。
在本文中，我们将仅提供一些ChipWhisperer开发人员指南的示例，并且不在STM32F103RBT6上（包括MK的板上）实现它们：
板STM32F103RBT6
我们还编写了与编写的示例相同的代码，但使用的是从CubeMX生成的HAL库。 需要采取所有这些措施，以确认使用ChipWhisperer进行的攻击可以在任何随机设备上实施，而不仅仅是在套件中的主板上实施。
接下来，我们简要概述了SCA攻击和故障攻击。
SCA分析
SCA攻击的基础是在开发各种指令期间跟踪MC状态的外部因素（MC的电流消耗，温度，电磁场）的变化。 ChipWhisperer实现了使用ADC监视功率和使用天线监视电磁场的通道。
SCA分析可有效检测密码，加密密钥等。 NewAE网站具有许多不同的功能
查找加密密钥和SCA 攻击的 有用 指南 ，但是我们仅举一个SCA分析示例，因为小故障攻击是我们最感兴趣的。
SCA攻击示例-功率签名分析
本指南演示了一种SCA攻击类型-通过监视电源通道上的签名来跟踪每个字符的密码输入。 通过重复电源签名，可以识别MK内部各种程序指令的开发。 上面的示例通过跟踪break操作的签名演示了密码输入MK的开发。
让我们开始准备。 首先，您需要根据下图进行连接：
MC连接以进行SCA分析
该图删除了不需要连接的组件（与标准MK连接不同）。 箭头指示ChipWhisperer的连接点，签名指示其引脚。
准备固件MK。 以下函数位于while(1)主循环中：
028 void password_check() { 029 char passwd[32]; 030 char correct_passwd[] = "Vulkan"; 031 HAL_Delay(10); 032 uart_send("WARNING: UNAUTHORIZED ACCESS WILL BE PUNISHED\n"); 033 led_off(); 034 035
030行设置输入密码-Vulkan。 接下来，LED点亮
led_on()并发送有关密码请求的UART消息。 led_on()函数激活PA12 MK的GPIO引脚，并通知有关ChipWhisperer将开始累积波形的事件。 CW_TRIG应该连接到此引脚。 为了方便起见，所有这些都是“合成的”，但是在实际情况下，差异是微不足道的，因为您可以输入相对于CW_TRIG连接到的任何事件的CLOCK时钟周期数的时间延迟。 例如，它可以是MK下载，消息接收/传输，包括LED等的开始。
此外，MK等待输入密码，它将逐字符验证密码。 如果队列中的任何字符都不匹配（例如，三个字符正确，而第四个字符不正确），则需要使用break语句退出for循环并报告错误的密码。 在055-059行中，实现了一个随机延迟发生器。 这种设计最常用于使临时攻击的行为复杂化（即跟踪整个系统响应时间的变化）。 包含此设计是为了了解我们没有使用临时攻击方法选择密码。
Jupyter Python教程代码托管在相应的资源上 。 下图显示了一个示例，该示例使用每个正确的新符号在MK的电源波形输出中输入密码。 请注意，使用正确密码的字符输入（要输入的密码显示在图的顶部）， break操作的签名移至046行（在下图中以橙色突出显示）。 这是在逐字符验证密码时，中断操作所造成的“弱点”。
密码波形图
熟悉本指南后，我们发现使用SCA分析来使用这种方法来绕过密码保护是多么容易。 注释掉该固件中第048行的break操作就足够了，通常，密码检查将同样成功，但是签名处理的跟踪将变得更加复杂。 因此，为降低此类攻击的有效性，应避免立即中断扫描周期的操作。
这种分析的复杂性在于找到必要的签名。 因此，进行此类攻击会使密码验证时引入临时rand()构造，添加其他计算或给其他组件添加噪音的情况大大复杂化。
小故障攻击
小故障攻击是根据某种影响方法，在确切的时间通过一系列短期脉冲进行的。 最受欢迎的方法是：时钟（CLK-毛刺），功率（Vcc-毛刺）和电磁场。 电磁场由MC附近的高压火花产生。 为此，NewAE使用ChipSHOUTER设备。 我们没有购买它，所以我们只进行了CLK毛刺和Vcc毛刺攻击。
通过向MK的外部CLOCK信号（来自外部石英或发生器）施加电压脉冲（对于CLK毛刺），对Vcc毛刺，施加电压脉冲来进行毛刺攻击。
通常，故障攻击使您可以绕过任何MK指令，例如，输入密码，访问请求，许可协议等。 小故障攻击更为复杂，艰苦且耗时。 另外，有必要重复重复小故障攻击，因为它的成功本质上是概率性的，并且取决于脉冲的参数。 以下是故障选项：
•scope.glitch.width-相对于CLOCK的脉冲宽度（以百分比为单位）；
•scope.glitch.offset-相对于CLOCK的脉冲偏移量，以百分比为单位；
•scope.glitch.repeat-攻击脉冲的重复次数；
•scope.glitch.ext_offset-事件触发后错过的小节数。
时序图中显示了CLK毛刺和Vcc毛刺的毛刺映射：
CLK毛刺的时序图
Vcc毛刺的时序图
选择毛刺脉冲的所有参数，以便MK内核在不稳定模式下运行（由于跳过了指令）。
根据小故障攻击的结果，可以发现，如果参数scope.glitch.repeat的值太小，则不会发生指令的“滑动”。 如果设置较大的值，则不仅可以跳过必要的说明，而且可以跳过所有后续说明。 在大多数情况下，在5-25范围内查找scope.glitch.repeat就足够了。 关于其他参数，这完全取决于攻击的类型和连接条件。
CLK毛刺
通过向CLOCK MK信号添加较短持续时间的脉冲来执行CLK毛刺攻击。 因此，必须将CLOCK与MK断开连接，并已通过CLK小故障攻击将其从ChipWhisperer提供。
首先，您需要将ChipWhisperer连接到MK：
CLK毛刺连接图
参考资料中提供了所有Python代码和手册的详细说明。 然后，在STM32F103RBT6中，“填充”固件，将以下功能添加到主while(1) ：
075 void glitch_password(void) 076 { 077 char inp[16]; 078 char c = 'A'; 079 unsigned char cnt = 0; 080 uart_send("Password:"); 081 082 while((c != '\n') & (cnt < 16)) 083 { 084 c = getch(); 085 inp[cnt] = c; 086 cnt++; 087 } 088 089 char passwd[] = "Vulkan"; 090 char passok = 1; 091 092 led_on(); 093 led_off(); 094 095
我们的目标是在输入错误密码时绕过103行的if ，并进入106行的else情况。此攻击中最重要的事情是检查103行的passok变量。为此，请选择scope.glitch.ext_offset参数。 通过将示波器连接到UART并将毛刺设置为干扰的位置，这是最容易做到的，因为毛刺会渗入整个MK：
小故障位置
攻击代码和方法摘自本手册 （“攻击循环”部分，块9-10）。 我们在代码中所做的唯一更改是启用了所有print(response)消息的输出而不进行过滤，因为重要的事件通常由于配置的过滤器而被跳过，例如：
if need_response not in response: pass else: print ("!")
下图显示了消息输出日志的示例，该消息输出日志在CLK小故障攻击接近成功或远未成功时出现。 当接近正确的故障参数时，MK运行中的不稳定开始出现（消息中断，MK进入重新启动状态）。 这可能是搜索时的提示。
毛刺攻击期间的消息输出，其参数远非成功（a），接近成功（b）
成功的CLK小故障攻击的结果
攻击的结果表明，取决于与Clock MK的ChipWhisperer连接的质量，CLK毛刺脉冲的参数可以“浮动”。 例如，将示波器探头设置为CLOCK引脚时，scope.glitch.offset参数对于成功进行攻击就变得不同，因为探头具有自己的电容性电感参数，可以校正高频毛刺。 因此，通过较长的非屏蔽电缆进行连接会带来很多惊喜。 否则，CLK毛刺攻击可以称为稳定攻击，例如 对于各种指令，它们的参数略有变化（如果已检查）。
防止此类攻击的方法是使用内部的CLOCK MK信号，但其温度和时间稳定性最差。 同样，一种有效的方法可能是在重要指令（检查密码，个人数据等）之前和之后引入随机的时间延迟，这可能会使CLK短时脉冲的正确命中变得复杂。
Vcc故障
Vcc毛刺与CLK毛刺一样，仅通过将MK电源接地短路即可将高频干扰引入MK的操作。 进行Vcc小故障攻击时，必须考虑成功脉冲的参数取决于许多因素，例如：
•用于MK的印刷电路板的设计特征以及各种捆扎带的存在；
•用于连接MK和ChipWhisperer的故障端口的同轴电缆的长度（电缆越长，成功攻击的可能性越小，最佳长度为10-15厘米）；
•MK系列；
•要跳过的指示；
•MK编译器优化；
•MOSFET晶体管的类型（由于S参数的高频分量不同）。
因此，进行攻击时，必须确保这些参数不变。
首先，您应该将ChipWhisperer连接到MK：
Vcc小故障攻击的连接方案
接下来，我们“刷新” MK中的固件，其中在主while(1)中具有以下功能：
115 void glitch_while() 116 { 117 volatile uint8_t infinity = 0; 118 uart_send(" Hello habr!"); 119 led_on(); 120 led_off(); 121 122 while(infinity != 2) 123 { 124 ; 125 } 126 uart_send("WOW!!! Vcc Glitch work!"); 127 while(1) 128 { 129 ; 130 } 131 }
发送消息“ Hello habr！”后的MK进入第122行的无限循环。我们的任务是使用Vcc-glitch从此循环中删除MK。 在此循环中， volatile uint8_t infinity变量用作条件，当程序正常volatile uint8_t infinity时，该变量永远不会等于2。 如果我们用while(1)代替while(infinity != 2) ，则编译器将忽略下面的代码，包括我们宣布从无限循环中退出的消息。 由于类型为volatile的变量volatile编译器将无法执行此操作。 while(1)第127行添加了while(1)以便在WOW !!!之后！ Vcc小故障工作！ 我们没有再显示您好哈勃！
我们使用Python代码从本指南中控制ChipWhisperer。 这是来自MK的消息：
Vcc小故障攻击成功的结果
从图中可以看出，Vcc小故障攻击是成功的。
进行Vcc小故障攻击的困难在于选择正确的脉冲参数。 与其他攻击相比，实施此攻击花费的时间最长，因为成功实施Vcc小故障攻击取决于上述因素。
防范此类攻击的方法还可以是在重要说明之前和之后（检查密码，个人数据等）引入随机的时间延迟。 这可以在适当的时间使Vcc毛刺脉冲的精确击中复杂化。 在PCB布线过程中，电源与地之间的电容性耦合的增加也可能会有所帮助。
结论
进行的攻击使您可以规避MK中的说明。 SCA分析的例子表明，即使是最简单的此类攻击，也可能威胁到数据（密码，加密密钥）的安全性。 我们确保小故障攻击会规避设备中提供的各种说明和软件保护方法。 在所考虑的手册中，防范攻击的通用方法可以是在MC中执行重要指令时引入随机时间延迟。
我们对硬件攻击的研究并不止于此。 将来，我们计划探索使用Vcc-glitch攻击绕过MK固件的固件字节验证的可能性。 访问MK固件可以为攻击者带来巨大的机会：从克隆设备以进行转售到完全访问所有专有信息以及对MK的控制。
在我们使用Vcc-glitch进行的实验中，我们尝试绕过固件的保护，并获得了成功。 我们确保这是可能的。 我们将在下一篇文章中展示演示如何读取隐藏的MK固件的实验。
Raccoon Security是位于火山科学技术中心的特殊专家团队，负责实践信息安全，密码学，电路，逆向工程和低级软件的创建。