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MCU制造商必需掌握的7种攻防技术,原来黑客是这样使坏的···2

4、噪声攻击(Glitch attacks)


噪声攻击是快速改变输入到微控制器的信号,以影响它的正常运行。通常噪声是叠加在电源上或时钟信号上,但噪声也可以是外加的短暂电场或电磁脉冲。在离芯片表面数百微米处放置两根金属针,然后加上少于1微秒的数百伏电压的窄脉冲,晶圆衬底会感应出一个电场,使得邻近晶体管的阈值电压发生变化。*近出现一种改进的方法:使用几百圈金属线绕在微探针的针尖构成一个小型电感。当电流进入线圈会产生磁场,针尖将集中磁力线。


每个晶体管和与它相连的线路构成有时延特性的RC电路。处理器的*大可用时钟频率取决于该电路的*大延迟。同样的,每个触发器在接收输入电压和由此引致的输出电压之间有个特征时间窗口。这个窗口由给定的电压和温度来确定。如果用时钟噪声(比正常的时钟脉冲要短得多)或电源噪声(电源电压的快速波动)将会影响芯片里的某些晶体管,导致一个或多个触发器进入错误状态。通过改变参数,处理器会被导致执行许多完全不同的错误指令,有时甚至是不被微码支持的。尽管我们不会预先知道何种噪声会导致何种芯片的何种错误,但它能相当简单地进行系统的搜索。


5、时钟噪声攻击(Clock glitches)


时钟信号的噪声攻击在目前是*简单的,且相当实用。实际应用中的噪声通常用来取代跳转条件并试验先前的测试指令。可以在安全密码问询处理时创建一个攻击窗口,简单预防执行这些指令。指令噪声也能用来扩大循环的时间。如,串口子程序在输出缓冲后再读更多的内容;或在密钥操作时减少循环次数来传一个弱的密码。


为获得噪声,时钟需要临时增加一个或大于半个周期,有些触发器在到达新状态之前就获得输入。时钟噪声通常针对处理器的指令流。对硬件执行安全保护的微控制器没有什么效果。实际中,仅使用时钟噪声来攻击微控制器或智能卡的软件程序接口。


这类保护的破解是相对容易的。如处理器在循环里只执行一个指令,攻击时可用不同的时钟噪声导致处理器误操作。不需要小心地与时钟信号同步,只需要随机制造噪声就可在数次攻击内成功。插入噪声是相对容易的,无需使用外部发生器,瞬间短路晶振即可。当谐振器在不同的泛音上产生震荡会发出很多噪声。大部分情况下需要在确定的时钟周期内获得所需结果,在这种情况下用信号发生器更好。


使用时钟噪声来攻击某些微控制器也许是很困难的。例如德仪的MPS430微控制器在内部RC震荡器工作的启动模块。很难与内部时钟同步,攻击时很难估计精 确的时间。一些智能卡在处理器指令流里会随机插入延迟,使得攻击更为困难。使用功耗分析会有帮助,但要求非常昂贵的设备来实时获得参考信号。


6、电源噪声攻击(Power glitches)


电源供应电压的波动会导致晶体管阈值电平的漂移。结果就是一些触发器在不同的时间里采样它们的输入,或读出错误的安全熔丝的状态。通常用瞬间增加电源电压或电压跌落来制造噪声,一般在10个时钟周期内。电源噪声通常用在微控制器的程序接口上,能影响处理器运行或硬件安全电路。一般地,弱点比时钟噪声更难找到并利用,因为对于时域参数,振幅,上升/下降时间都是变量。


一个例子是上例提到的攻击MC68C05B6.如果在执行AND $0100指令时电源电压减少50-70%,处理器从EEPROM中取出的值是FFh而不是实际的值。这会对应熔丝未加密状态。窍门是小心计算执行时间来减少电源电压,否则处理器会停止运行或进入复位状态。这种任务并不难,复位后目标指令在**个一百周期内被执行。破解者可以使用矢量发生器或构建一个自己的噪声源。


另一个是微芯的老旧的PIC16F84。芯片的擦除操作会解除安全保护。但同时会芯片上程序和数据存储器中的内容。安全保护电路在硬件设计上是在安全熔丝复位之前擦掉存储器。但我们发现在芯片擦除操作时电源电压几微秒内增加到大约10V,会中断存储器擦除操作,但安全熔丝正常完成复位,这使得有可能读出存储器里的内容。如此高压需要谨慎使用,如果时间过长会损伤芯片。新版本的PIC16F84A增加了防欠压和过压攻击的能力。如果电源电压低于3V或6V,通过编程接口的任意修改存储器的操作会被立即中断。


不是一直需要电源噪声超过电源电压范围的规格。例如,PIC18F84A微控制器,保护机制可以阻止在芯片擦除操作开始后使用大于50mV的噪声。那会导致中止程序存储器的擦除操作但不会擦掉熔丝。


上述例子表明噪声攻击时无需特殊工具就有很好的效果。智能卡里有时钟监控电路但极少微控制器有。


7、数据保持能力分析(Data remanence)


处理器一般会把密钥保存在静态RAM里,如果元器件被篡改就会掉电,RAM内容丢失,从而保护密钥不被窃取。众所周知的是在低于零下20度时,SRAM里的内容会“冰冻”。很多元器件把温度低于这个阈值视为发生篡改事件。我们做了一些实验来确定现代SRAM数据保持能力与温度的关系。我们的实验表明传统的思维不再有效。即使在高温下,数据保持能力也是个问题。数据保持能力不仅仅对SRAM有影响,对DRAM, UV EPROM, EEPROM和闪存也有影响。结果是,仍然可以从已擦除的存储器中获得一些信息。这会给安全设备带来很多问题。


安全工程师都很关注断电后SRAM器件能保持数据的时间。原因如下:很多产品使用密钥或类似的方法进行加密和别的安全相关的计算,需要不能被读出或改变。*普遍的解决方法是把安全密钥放在带篡改传感器的易失存储器中。一旦检测到发生篡改,易失传感器会掉电或短路到地。但如果数据保留时间大于破解者打开元器件并对存储器上电的时间,那保护机制就被摧毁了。


在二十世纪八十年代,发现低温能将SRAM的数据保存时间增加到几秒甚至几分钟。对于那个时候的元器件,发现零下20度就可以增加数据保存时间,并且会随着温度的降低而增加保持的时间。有些就增加了温度传感器,温度低于零下20度就触发篡改事件,立即清零存储器。本次试验是重复这个工作,察看2000年后的产品是否也有此特性。


另一个需要关注的是即使部分内容已被破坏,安全信息也能被复原。假设破解者获得了n=128位密钥中的m=115位,也就是90%的信息。他可以通过搜索n!/(m!(n-m)!=128!/(115!13!)=2.12*1017~258个可能的密钥。通过1万台电脑,每台每秒进行10亿次搜索密钥的操作,破解者只需6个小时就能搜遍所有密钥。如果只有80%的信息,也就是知道128位密钥中的103位,那就有2.51*1026~288种可能。几乎增大了一百倍,破解者要花百万年来搜索密钥,故认为均匀的128位密钥不能被恢复。


芯片制造商们只有掌握了各种MCU的破解技术,才能够针对性的提升防护技能。

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