干貨 | 怎么辦?單片機(jī)固件又被人破解了~~
單片機(jī)(MCU)一般都有內(nèi)部程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)(或者其一)供用戶存放程序和工作數(shù)據(jù)(或者其一)。為了防止未經(jīng)授訪問或拷貝單片機(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),就無法用普通編程器直接讀取單片機(jī)內(nèi)的程序,這就叫單片機(jī)加密。
(PS:?jiǎn)纹瑱C(jī)程序基本上都存在于Flash中,大部分能夠讀取或者識(shí)別Flash上的數(shù)據(jù)就能夠獲得Firmware文件,從而給復(fù)制產(chǎn)品帶來了機(jī)會(huì))
單片機(jī)攻擊者借助專用設(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)程序這就叫單片機(jī)解密。
單片機(jī)解密又叫單片機(jī)破解、芯片解密、IC解密,但是嚴(yán)格說來這幾種稱呼都不科學(xué),但已經(jīng)成了習(xí)慣叫法,我們把CPLD解密、DSP解密都習(xí)慣稱為單片機(jī)解密。單片機(jī)只是能裝載程序芯片的其中一個(gè)類。
能燒錄程序并能加密的芯片還有 DSP、CPLD、PLD、AVR、ARM等。當(dāng)然具有存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)器芯片也能加密,比如DS2401、DS2501、AT88S0104、DM2602、AT88SC0104D等,當(dāng)中也有專門設(shè)計(jì)有加密算法用于專業(yè)加密的芯片或設(shè)計(jì)驗(yàn)證廠家代碼工作等功能芯片,該類芯片也能實(shí)現(xiàn)防止電子產(chǎn)品復(fù)制的目的。
02單片機(jī)解密方法
2.1 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進(jìn)行攻擊。
比如一個(gè)典型事例是對(duì)早期XXX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,從而使加過密的單片機(jī)變成沒加密的單片機(jī),然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。
目前在其他加密方法的基礎(chǔ)上,可以研究出一些設(shè)備,配合一定的軟件,來做軟件解密。
還有比如利用某些編程器定位插字節(jié),通過一定的方法查找芯片中是否有連續(xù)空位,也就是說查找芯片中連續(xù)的FFFF字節(jié),插入的字節(jié)能夠執(zhí)行把片內(nèi)的程序送到片外的指令,然后用解密的設(shè)備進(jìn)行截獲,這樣芯片內(nèi)部的程序就被解密完成了。
2.2 電子探測(cè)攻擊
該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來監(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,并通過監(jiān)控它的電磁輻射特性來實(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。
2.3 過錯(cuò)產(chǎn)生技術(shù)
該技術(shù)使用異常工作條件來使處理器出錯(cuò),然后提供額外的訪問來進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過錯(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。
(PS:該辦法就是使得單片機(jī)異常運(yùn)行從而使得單片機(jī)處于非保護(hù)狀態(tài))
2.4 探針技術(shù)
該技術(shù)是直接暴露芯片內(nèi)部連線,然后觀察、操控、干擾單片機(jī)以達(dá)到攻擊目的。(PS:芯片內(nèi)部都完全暴露了,芯片正在瑟瑟發(fā)抖!)
03單片機(jī)解密分類
為了方便起見,人們將以上四種攻擊技術(shù)分成兩類,一類是侵入型攻擊(物理攻擊),這類攻擊需要 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,在專門的實(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)被物理損壞。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??捎靡徽紫嗨频募夹g(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始,積累的經(jīng)驗(yàn)有助于開發(fā)更加廉價(jià) 和快速的非侵入型攻擊技術(shù)。
04侵入式解密過程
侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝(簡(jiǎn)稱“開蓋”有時(shí)候稱“開封”,英文為 “DECAP”,decapsulation)。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。
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,但操作起來相對(duì)比較方便,完全實(shí)驗(yàn)室中操作。
芯片上面的塑料可以用小刀揭開,芯片周圍的環(huán)氧樹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。該過程一般在非常干燥的條件下進(jìn)行,因?yàn)樗拇嬖诳赡軙?huì)侵蝕已暴露的鋁線連接 (這就可能造成解密失敗)。
接著在超聲池里先用丙酮清洗該芯片以除去殘余硝酸,并浸泡。
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跟蹤進(jìn)去,來尋找保護(hù)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(jié)果的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的搜索。
操作時(shí)應(yīng)用不透明的物體覆蓋芯片以保護(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)層來保護(hù)EEPROM單元的單片機(jī)來說,使用紫外光復(fù)位保護(hù)電路是不可行的。對(duì)于這種類型的單片機(jī),一般使用微探針技術(shù)來讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容。在芯片封裝打開后,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。
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)器的訪問。利用這一缺陷將探針放在數(shù)據(jù)線的上面就能讀到所有想要的數(shù)據(jù)。在編程模式下,重啟讀過程并連接探針到另外的數(shù)據(jù)線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。
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(或切割掉整個(gè)加密電路)或連接1~3根金線(通常稱 FIB:focused ion beam),就能禁止整個(gè)保護(hù)功能,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產(chǎn)品,因此,它們往往沒有提供有針對(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,銷售量大,廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁,大量技術(shù)資料外瀉,使得利用該類芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠商的測(cè)試接口,并通過修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。
05單片機(jī)解密幾點(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)間使用以上方法來解密。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該始終牢記的基本原則。
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)大量金錢和時(shí)間辛辛苦苦設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品被人家一夜之間仿冒的事情發(fā)生。
下面是根據(jù)某公司的解密實(shí)踐提出的建議:
(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)的芯片選擇采用新工藝、新結(jié)構(gòu)、上市時(shí)間較短的單片機(jī)。
(2)對(duì)于安全性要求高的項(xiàng)目,盡量不要使用普及程度最高,被研究得也最透的芯片。
(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、偏冷門的單片機(jī)來加大仿冒者采購(gòu)的難度,選用一些生僻的單片機(jī)。
(4)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;另外程序設(shè)計(jì)的時(shí)候,加入時(shí)間到計(jì)時(shí)功能,比如使用到1年,自動(dòng)停止所有功能的運(yùn)行,這樣會(huì)增加破解者的成本。
(5)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。
(6)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。
(7)可以利用單片機(jī)未公開,未被利用的標(biāo)志位或單元,作為軟件標(biāo)志位。
(8)你應(yīng)在程序區(qū)寫上你的大名單位開發(fā)時(shí)間及仿制必究的說法,以備獲得法律保護(hù);另外寫上你的大名的時(shí)候,可以是隨機(jī)的,也就是說,采用某種算法,外部不同條件下,你的名字不同,比如www.XXXXX.com、www.XXXXX.cn, www.XXXXX.com.cn 等,這樣比較難反匯編修改。
(9)采用高檔的編程器,燒斷內(nèi)部的部分管腳,還可以采用自制的設(shè)備燒斷金線,這個(gè)目前國(guó)內(nèi)幾乎不能解密,即使解密,也需要上萬的費(fèi)用,需要多個(gè)母片。
(10)采用保密硅膠(環(huán)氧樹脂灌封膠)封住整個(gè)電路板,PCB上多一些沒有用途的焊盤,在硅膠中還可以摻雜一些沒有用途的元件,同時(shí)把MCU周圍電路的電子元件盡量抹掉型號(hào)。
(11)可以用編程器把空白區(qū)域中的FF改成00,也就是把一些未使用的空間都填充好,這樣一般解密器也就找不到芯片中的空位,也就無法執(zhí)行以后的解密操作。
當(dāng)然,要想從根本上防止單片機(jī)被解密,那是不可能的,加密技術(shù)不斷發(fā)展,解密技術(shù)也不斷發(fā)展,現(xiàn)在不管哪個(gè)單片機(jī),只要有人肯出錢去做,基本都可以做出來,只不過代價(jià)高低和周期長(zhǎng)短的問題,編程者還可以從法律的途徑對(duì)自己的開發(fā)作出保護(hù)(比如專利)。
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