單片機(jī)解密的“攻”與“防”

　　1引言

　　單片機(jī)(Microcontroller)一般都有內(nèi)部ROM/EEPROM/FLASH供用戶(hù)存放程序。為了防止未經(jīng)授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)或拷貝單片機(jī)的機(jī)內(nèi)程序，大部分單片機(jī)都帶有加密鎖定位或者加密字節(jié)，以保護(hù)片內(nèi)程序。如果在編程時(shí)加密鎖定位被使能(鎖定)，就無(wú)法用普通編程器直接讀取單片機(jī)內(nèi)的程序，這就是所謂拷貝保護(hù)或者說(shuō)鎖定功能。事實(shí)上，這樣的保護(hù)措施很脆弱，很容易被破解。單片機(jī)攻擊者借助專(zhuān)用設(shè)備或者自制設(shè)備，利用單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)上的漏洞或軟件缺陷，通過(guò)多種技術(shù)手段，就可以從芯片中提取關(guān)鍵信息，獲取單片機(jī)內(nèi)程序。因此，作為電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師非常有必要了解當(dāng)前單片機(jī)攻擊的最新技術(shù)，做到知己知彼，心中有數(shù)，才能有效防止自己花費(fèi)大量金錢(qián)和時(shí)間辛辛苦苦設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品被人家一夜之間仿冒的事情發(fā)生。

　　2單片機(jī)攻擊技術(shù)

　　目前，攻擊單片機(jī)主要有四種技術(shù)，分別是：

　　(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(lái)進(jìn)行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個(gè)典型事例是對(duì)早期ATMELAT89C 系列單片機(jī)的攻擊。攻擊者利用了該系列單片機(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(chǔ)器數(shù)據(jù)的操作，從而使加過(guò)密的單片機(jī)變成沒(méi)加密的單片機(jī)，然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。

　　(2)電子探測(cè)攻擊

　　該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來(lái)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(guò)監(jiān)控它的電磁輻射特性來(lái)實(shí)施攻擊。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一個(gè)活動(dòng)的電子器件，當(dāng)它執(zhí)行不同的指令時(shí)，對(duì)應(yīng)的電源功率消耗也相應(yīng)變化。這樣通過(guò)使用特殊的電子測(cè)量?jī)x器和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析和檢測(cè)這些變化，即可獲取單片機(jī)中的特定關(guān)鍵信息。

　　(3)過(guò)錯(cuò)產(chǎn)生技術(shù)

　　該技術(shù)使用異常工作條件來(lái)使處理器出錯(cuò)，然后提供額外的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過(guò)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(lái)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(huì)復(fù)位保護(hù)電路而不會(huì)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。

　　(4)探針技術(shù)

　　該技術(shù)是直接暴露芯片內(nèi)部連線(xiàn)，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(jiàn)，人們將以上四種攻擊技術(shù)分成兩類(lèi)，一類(lèi)是侵入型攻擊(物理攻擊)，這類(lèi)攻擊需要破壞封裝，然后借助半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備、顯微鏡和微定位器，在專(zhuān)門(mén)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。另外三種方法屬于非侵入型攻擊，被攻擊的單片機(jī)不會(huì)被物理?yè)p壞。在某些場(chǎng)合非侵入型攻擊是特別危險(xiǎn)的，這是因?yàn)榉乔秩胄凸羲柙O(shè)備通?？梢宰灾坪蜕?jí)，因此非常廉價(jià)。大部分非侵入型攻擊需要攻擊者具備良好的處理器知識(shí)和軟件知識(shí)。與之相反，侵入型的探針攻擊則不需要太多的初始知識(shí)，而且通常可用一整套相似的技術(shù)對(duì)付寬范圍的產(chǎn)品。因此，對(duì)單片機(jī)的攻擊往往從侵入型的反向工程開(kāi)始，積累的經(jīng)驗(yàn)有助于開(kāi)發(fā)更加廉價(jià)和快速的非侵入型攻擊技術(shù)。

　　3侵入型攻擊的一般過(guò)程

　　侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝。有兩種方法可以達(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(xiàn)。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(cè)試夾具上，借助綁定臺(tái)來(lái)操作。第二種方法除了需要具備攻擊者一定的知識(shí)和必要的技能外，還需要個(gè)人的智慧和耐心，但操作起來(lái)相對(duì)比較方便。芯片上面的塑料可以用小刀揭開(kāi)，芯片周?chē)沫h(huán)氧樹(shù)脂可以用濃硝酸腐蝕掉。熱的濃硝酸會(huì)溶解掉芯片封裝而不會(huì)影響芯片及連線(xiàn)。該過(guò)程一般在非常干燥的條件下進(jìn)行，因?yàn)樗拇嬖诳赡軙?huì)侵蝕已暴露的鋁線(xiàn)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(méi)有超聲池，一般就跳過(guò)這一步。這種情況下，芯片表面會(huì)有點(diǎn)臟，但是不太影響紫外光對(duì)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(tái)放大倍數(shù)至少100倍的顯微鏡，從編程電壓輸入腳的連線(xiàn)跟蹤進(jìn)去，來(lái)尋找保護(hù)熔絲。若沒(méi)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(jiǎn)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(chǔ)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(jiǎn)單的編程器就可直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

　　對(duì)于使用了防護(hù)層來(lái)保護(hù)EEPROM單元的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，使用紫外光復(fù)位保護(hù)電路是不可行的。對(duì)于這種類(lèi)型的單片機(jī)，一般使用微探針技術(shù)來(lái)讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容。在芯片封裝打開(kāi)后，將芯片置于顯微鏡下就能夠很容易的找到從存儲(chǔ)器連到電路其它部分的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。

　　由于某種原因，芯片鎖定位在編程模式下并不鎖定對(duì)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)。利用這一缺陷將探針?lè)旁跀?shù)據(jù)線(xiàn)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(guò)程并連接探針到另外的數(shù)據(jù)線(xiàn)上就可以讀出程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(lái)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(hào)線(xiàn)。由于設(shè)計(jì)有缺陷，因此，只要切斷從保護(hù)熔絲到其它電路的某一根信號(hào)線(xiàn)，就能禁止整個(gè)保護(hù)功能。由于某種原因，這根線(xiàn)離其它的線(xiàn)非常遠(yuǎn)，所以使用激光切割機(jī)完全可以切斷這根線(xiàn)而不影響臨近線(xiàn)。這樣，使用簡(jiǎn)單的編程器就能直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

　　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(lèi)產(chǎn)品，因此，它們往往沒(méi)有提供有針對(duì)性的防范措施且安全級(jí)別較低。加上單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，銷(xiāo)售量大，廠(chǎng)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(lèi)芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠(chǎng)商的測(cè)試接口，并通過(guò)修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來(lái)讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。

　　4應(yīng)對(duì)單片機(jī)破解的幾點(diǎn)建議

　　任何一款單片機(jī)，從理論上講，攻擊者均可利用足夠的投資和時(shí)間使用以上方法來(lái)攻破。所以，在用單片機(jī)做加密認(rèn)證或設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量加大攻擊者的攻擊成本和所耗費(fèi)的時(shí)間。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該始終牢記的基本原則。除此之外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)在選定加密芯片前，要充分調(diào)研，了解單片機(jī)破解技術(shù)的新進(jìn)展，包括哪些單片機(jī)是已經(jīng)確認(rèn)可以破解的。盡量不選用已可破解或同系列、同型號(hào)的芯片。

　　(2)盡量不要選用MCS51系列單片機(jī)，因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)在國(guó)內(nèi)的普及程度最高，被研究得也最透。

　　(3)產(chǎn)品的原創(chuàng)者，一般具有產(chǎn)量大的特點(diǎn)，所以可選用比較生僻、偏冷門(mén)的單片機(jī)來(lái)加大仿冒者采購(gòu)的難度。

　　(4)選擇采用新工藝、新結(jié)構(gòu)、上市時(shí)間較短的單片機(jī)，如ATMELAVR系列單片機(jī)等。

　　(5)在設(shè)計(jì)成本許可的條件下，應(yīng)選用具有硬件自毀功能的智能卡芯片，以有效對(duì)付物理攻擊。

　　(6)如果條件許可，可采用兩片不同型號(hào)單片機(jī)互為備份，相互驗(yàn)證，從而增加破解成本。

　　(7)打磨掉芯片型號(hào)等信息或者重新印上其它的型號(hào)，以假亂真。當(dāng)然，要想從根本上防止單片機(jī)被解密，程序被盜版等侵權(quán)行為發(fā)生，只能依靠法律手段來(lái)保障。