如何破解MCU的方法及其預(yù)防措施

　　中央處理器CPU，包括運(yùn)算器、控制器和寄存器組。是MCU內(nèi)部的核心部件，由運(yùn)算部件和控制部件兩大部分組成。前者能完成數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作，后者是按一定時(shí)序協(xié)調(diào)工作，是分析和執(zhí)行指令的部件。

　　Ⅱ：存儲(chǔ)器，包括ROM和RAM。ROM程序存儲(chǔ)器，MCU的工作是按事先編制好的程序一條條循序執(zhí)行的，ROM程序存儲(chǔ)器即用來(lái)存放已編的程序(系統(tǒng)程序由制造廠(chǎng)家編制和寫(xiě)入)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)掉電后不消失。ROM又分為片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外(擴(kuò)展)存儲(chǔ)器兩種。

　　RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中可以隨時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，又可以隨時(shí)讀出數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在掉電后不能保持。RAM也分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外(擴(kuò)展)存儲(chǔ)器兩種。

　?、螅狠斎?、輸出I/O接口，與外部輸入、輸出(電路)設(shè)備相連接。PO/P1/P2/P3等數(shù)字I/O接口，內(nèi)部電路含端口鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器等電路。其中PO為三態(tài)雙向接口，P1/P2/P3數(shù)字I/O端口，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器為“開(kāi)路集電極”輸出電路，應(yīng)用時(shí)內(nèi)部或外部電路接有上拉電阻。每個(gè)端口均可作為數(shù)字信號(hào)輸入或輸出口，并具有復(fù)用功能(指端口功能有第一功能、第二功能甚至數(shù)個(gè)功能，在應(yīng)用中可靈活設(shè)置)。

　　MCU器件，除數(shù)字I/O端口外，還有ADC模擬量輸入、輸出端口，輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路，變換為數(shù)字(頻率)信號(hào)，再進(jìn)行處理;對(duì)輸出模擬量信號(hào)，則先經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，再輸出至外部電路。

　　再來(lái)談幾種如何破解MCU方法及預(yù)防措施

　　一、非侵入式攻擊

　　不需要對(duì)元器件進(jìn)行初始化。攻擊時(shí)可以把元器件放在測(cè)試電路中分析，也可單獨(dú)連接元器件。一旦成功，這種攻擊很容易普及，并且重新進(jìn)行攻擊不需要很大的開(kāi)銷(xiāo)。另外，使用這種攻擊不會(huì)留下痕跡。因此，這被認(rèn)為是對(duì)任意元器件的硬件安全最大的威脅。同時(shí)，通常需要很多時(shí)間和精力來(lái)尋找對(duì)特定元器件的非侵入式攻擊方法。這通常對(duì)元器件進(jìn)行反向工程，包括反匯編軟件和理解硬件版圖。

　　非侵入式攻擊可以是被動(dòng)的或主動(dòng)的。被動(dòng)攻擊，也叫側(cè)面攻擊，不會(huì)對(duì)被攻擊元器件發(fā)生作用，但通常是觀察它的信號(hào)和電磁輻射。如功耗分析和時(shí)鐘攻擊。主動(dòng)攻擊，如窮舉攻擊和噪聲攻擊，特點(diǎn)是將信號(hào)加到元器件上，包括電源線(xiàn)。

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的非侵入式攻擊可以是復(fù)制一個(gè)上電配置的基于SRAM的FPGA。接上配置芯片用的JATG接口，用示波器或邏輯分析儀，捕捉所有信號(hào)。然后可以通過(guò)分析波形并回復(fù)獨(dú)有的命令。

　　只使用到一半的FPGA資源時(shí)，可以輕微改變數(shù)據(jù)流來(lái)偽裝盜版的事實(shí)。配置時(shí)留下一點(diǎn)空間而不影響元器件的運(yùn)行。JTAG接口在發(fā)送信號(hào)時(shí)序時(shí)也有一些自由，故盜版的波形可以設(shè)置成看上去與原始信號(hào)不一樣的。另外，破解者可以在上傳時(shí)交換行地址，給人的印象是完全不同的設(shè)計(jì)。

　　防護(hù)與安全

　　半導(dǎo)體制造商給大客戶(hù)提供了增強(qiáng)產(chǎn)品防破解能力的措施：包裝上的客戶(hù)印字代替了標(biāo)準(zhǔn)的芯片型號(hào)。這給人的印象是產(chǎn)品是由定制的集成電路設(shè)計(jì)的。眾所周知，ASIC提供了很好地保護(hù)措施來(lái)防止多種攻擊，只有極少數(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富且裝備精良的破解者才有可能成功破解。這會(huì)使很多潛在的破解者望而卻步。但一個(gè)信心堅(jiān)定的破解者會(huì)嘗試用簡(jiǎn)單的方法確定芯片是不是真的ASIC。最簡(jiǎn)單的方法是觀察連接到電源，地，時(shí)鐘，復(fù)位，串口或別的接口的引腳。與數(shù)據(jù)庫(kù)中被懷疑的微控制器相比較，這種結(jié)果非常可靠，每種微控制器都有自己的引腳特點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)相似的，就把它放在通用燒寫(xiě)器上嘗試讀出結(jié)果。

　　另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是限制訪(fǎng)問(wèn)程序存儲(chǔ)器。通常用在智能卡中，但一些微控制器中也用到。這不是很可靠且實(shí)用的方法。當(dāng)然在智能卡中用得很好，所有的客戶(hù)被與芯片制造商迫簽署不擴(kuò)散協(xié)議。但微控制器極少這樣，能被通用燒寫(xiě)器燒寫(xiě)的微控制器世界上很多公司都能提供。即使文件中沒(méi)有燒寫(xiě)的規(guī)格，用低成本的示波器幾個(gè)小時(shí)就可以套出需要的波形。如果微控制器不被特殊通用燒寫(xiě)器所支持，仍然可以通過(guò)從制造商購(gòu)買(mǎi)開(kāi)發(fā)板來(lái)獲得直接完整的協(xié)議。

　　二、時(shí)序攻擊(Timing attacks)

　　一些安全相關(guān)的操作使用輸入的值和密鑰，由半導(dǎo)體芯片執(zhí)行不同的時(shí)間來(lái)比較。小心的時(shí)序測(cè)量和分析就能恢復(fù)出密鑰。這個(gè)方法最早在1996年的文獻(xiàn)上提到。稍后這種攻擊成功破解了實(shí)際的RSA簽名的智能卡。

　　為了攻擊成功，需要收集裝置的信息，與處理時(shí)間整合比較，如問(wèn)答延遲(question-answer delay)。很多密碼算法容易受到時(shí)序攻擊，主要原因是軟件來(lái)執(zhí)行算法。那包括執(zhí)行適時(shí)跳過(guò)需要的分支和操作條件;使用緩存;不固定時(shí)間處理指令如倍頻和分頻;還有大量的其他原因。結(jié)果就是執(zhí)行能力典型地取決于密鑰和輸入的數(shù)據(jù)。

　　為防止此類(lèi)攻擊可以使用盲簽名(Blinding signatures)技術(shù)。這個(gè)方法是利用選定的隨機(jī)數(shù)與輸入數(shù)據(jù)混合來(lái)防止破解者知道輸入數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則。

　　時(shí)序攻擊可用在安全保護(hù)是基于密碼的微控制器，或使用確定數(shù)字的卡或密碼來(lái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)控制的系統(tǒng)，如達(dá)拉斯的iButton產(chǎn)品。這些系統(tǒng)中共有的風(fēng)險(xiǎn)是輸入的連續(xù)數(shù)字在數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行再次校驗(yàn)。系統(tǒng)需經(jīng)常檢查輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)的密鑰的每個(gè)字節(jié)，一旦發(fā)現(xiàn)不正確的字節(jié)就會(huì)立即停止，然后切換到下一個(gè)直到最后一個(gè)。所以破解者很容易測(cè)量出輸入最后一個(gè)密鑰倒請(qǐng)求另一個(gè)的時(shí)間，并得出發(fā)現(xiàn)的密鑰相似度。嘗試相對(duì)小的數(shù)字，有可能找到匹配的密鑰。

　　為防止這些攻擊，設(shè)計(jì)者需要小心計(jì)算處理器的周期。當(dāng)密碼進(jìn)行比較時(shí)確保正確和錯(cuò)誤的時(shí)間是一樣的，例如：飛思卡爾的68HC08微控制器的內(nèi)部存儲(chǔ)器載入模塊在輸入正確的八字節(jié)密碼后可以訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部閃存。為達(dá)到正確和錯(cuò)誤的密碼都處理相同的時(shí)間，程序中增加了額外的空操作指令。這對(duì)時(shí)序攻擊提供了很好的保護(hù)。一些微控制器有內(nèi)部阻容振蕩器，那樣處理器的工作頻率與電壓和芯片的溫度相關(guān)。這使得時(shí)序分析很困難，攻擊時(shí)需要穩(wěn)定元器件的溫度并減少電源線(xiàn)上的噪聲和電壓波動(dòng)。一些智能卡有內(nèi)部隨機(jī)時(shí)鐘信號(hào)使得攻擊時(shí)測(cè)量時(shí)間延遲無(wú)效。