怎樣破解芯片，芯片解密方法介紹

不需要對(duì)芯片進(jìn)行初始化，解密時(shí)時(shí)把芯片放在測(cè)試電路中分析。這種芯片解密方法容易操作，學(xué)習(xí)成本較低。但通常需要很多時(shí)間和精力來尋找對(duì)特定芯片的非侵入式攻擊破解方法，包括反匯編軟件和理解硬件版圖。

非侵入式攻擊芯片解密包括被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式。

被動(dòng)攻擊觀察它的信號(hào)和電磁輻射，如功耗分析和時(shí)鐘攻擊，不會(huì)對(duì)被攻擊芯片發(fā)生作用。

主動(dòng)攻擊有窮舉攻擊和噪聲攻擊，特點(diǎn)是將信號(hào)加到芯片上，用示波器或邏輯分析儀，捕捉所有信號(hào)。然后可以通過分析波形并回復(fù)獨(dú)有的命令。

時(shí)序攻擊屬于側(cè)信道攻擊/旁路攻擊，側(cè)信道攻擊是指利用信道外的信息，比如加解密的速度/加解密時(shí)芯片引腳的電壓/密文傳輸?shù)牧髁亢屯緩降冗M(jìn)行攻擊的方式，一個(gè)詞形容就是“旁敲側(cè)擊”。

時(shí)序攻擊破解芯片包括執(zhí)行適時(shí)跳過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。

解密飛思卡爾的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)密碼后可以訪問內(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)間延遲無效。

窮舉攻擊是對(duì)系統(tǒng)嘗試數(shù)量眾多的密鑰。通常是使用高速計(jì)算機(jī)來尋找匹配的密鑰。例如對(duì)MCU單片機(jī)中的密碼保護(hù)設(shè)置，密碼本身長度為32字節(jié)(256位)，抵擋暴力攻擊已經(jīng)足夠了。但密碼分配在與處理器中斷矢量相同的存儲(chǔ)器地址。那么，首先減少存儲(chǔ)器內(nèi)矢量一直指向的區(qū)域。然后當(dāng)軟件被更新時(shí)，只有小部分的密碼被修改，因?yàn)榇蟛糠种袛嘧映绦蛑赶虻氖噶渴窍嗤牡刂?。芯片破解知道早前密碼中的一個(gè)，就很容易做系統(tǒng)的搜索，在合理的時(shí)間內(nèi)找到正確的密碼。窮舉攻擊也可用在ASIC或CPLD的芯片解密。使用所有可能的邏輯組合到元器件可能的輸入端并觀察所有輸出。

窮舉攻擊破解芯片也稱為黑箱分析，因?yàn)槠平庹卟恢辣粶y(cè)試元器件的情況。通過所有可能的信號(hào)組合，嘗試獲得元器件的功能。這種破解方法對(duì)相對(duì)小的芯片很有效。

另一個(gè)問題是破解者使用的ASIC或CPLD有觸發(fā)器，故輸出將可能是當(dāng)前狀態(tài)或輸入的狀態(tài)。但如果預(yù)先檢查并分析信號(hào)，搜索的范圍可以顯著減少。例如，時(shí)鐘輸入，數(shù)據(jù)總線和一些控制信號(hào)是很容易認(rèn)出的。

窮舉攻擊破解芯片對(duì)很多半導(dǎo)體芯片有效，是將外部高壓信號(hào)(通常是兩倍于電源電壓)加到芯片引腳上，來試圖進(jìn)入工廠測(cè)試或編程模式。這些引腳用數(shù)字萬用表很容易發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈儧]有保護(hù)二極管到電源腳。一旦發(fā)現(xiàn)對(duì)高壓敏感的引腳，破解者就可以嘗試可能的邏輯信號(hào)組合來加到別的引腳上，找出用于進(jìn)入工廠測(cè)試或編程模式的部分。破解者也可用元器件的通信協(xié)議來找出設(shè)計(jì)者嵌入在軟件中的測(cè)試和更新用得隱藏功能。

芯片運(yùn)行的功耗取決于它當(dāng)前的狀態(tài)。依照CMOS晶體管的原理，各部分動(dòng)態(tài)時(shí)的功耗比靜態(tài)的要大。當(dāng)輸入電壓加到反向器上，會(huì)引起一個(gè)晶體管短路，這個(gè)晶體管電流的增加比靜態(tài)消耗的寄生漏電要大得多。在電源線上加個(gè)10-20歐的電阻，就可以測(cè)量電流的波動(dòng)。為達(dá)到更好的效果，需要使用至少12位精度和50MHz采樣速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

這些獲得的參數(shù)在解密芯片時(shí)可以用來區(qū)別芯片的不同指令并估計(jì)總線上同時(shí)翻轉(zhuǎn)的位數(shù)。通過平均多次重復(fù)同樣操作的電流，即使是沒有通過總線的很小信號(hào)也能區(qū)別開。有些信號(hào)如移位狀態(tài)特別有用，因?yàn)楹芏嗝艽a的密鑰產(chǎn)生算法使用移位操作來逐一移出單個(gè)密鑰倒進(jìn)位標(biāo)志。即使?fàn)顟B(tài)位的變化不能直接測(cè)量，它們通常會(huì)改變指令次序或微碼的執(zhí)行，這會(huì)導(dǎo)致功耗的明顯變化。

不同指令導(dǎo)致不同級(jí)別的指令解碼和運(yùn)算單元的活動(dòng)，可被清晰地區(qū)別開，故運(yùn)算部分能被推測(cè)出。處理器的不同單元在時(shí)鐘沿相關(guān)的不同時(shí)間里有獨(dú)有的開關(guān)狀態(tài)，能被高頻儀器分離出來。

有多種不同的功耗分析技術(shù)用在破解芯片算法上。整個(gè)分析過程是相對(duì)簡單的，只需要標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有的廉價(jià)儀器設(shè)備。功耗分析技術(shù)主要有兩種：簡單功耗分析和差分功耗分析。

簡單功耗分析解密是在密碼或別的安全相關(guān)操作時(shí)直接觀察功耗，可以得知設(shè)備運(yùn)行時(shí)的信息如密鑰資料。如果破解者知道密碼算法，很容易通過觀察處理器指令次序，特別是移位條件轉(zhuǎn)移，找到一些位的信息。如果算法或邏輯運(yùn)算的結(jié)果很容易被看出，如進(jìn)位狀態(tài)，零或負(fù)標(biāo)志，就可以獲得更多的信息。

差分功耗分析解密是種更有效的技術(shù)，因?yàn)槠平庹卟恍枰佬酒用芩惴ㄊ侨绾螆?zhí)行的。它使用靜態(tài)分析和已知密碼運(yùn)算的大量功耗跡線來獲取隱藏信息。用統(tǒng)計(jì)方法鑒別功耗的微小區(qū)別，可用來恢復(fù)密鑰中的單個(gè)的位信息。 功耗特性當(dāng)然包括噪聲部分。額外的噪聲可以通過減少獲取信號(hào)的探針長度并小心使用測(cè)量儀器來降低它。測(cè)量接在地線上的電阻的功耗有一些優(yōu)勢(shì)。首先，減少了噪聲電平。其次，可以用示波器的探頭直接測(cè)量信號(hào)，因?yàn)榇蟛糠痔结樥居泄驳牡鼐€與外部電源地相連。為了增加信噪比，可以通過提高平均采樣數(shù)來獲得。

有源探頭能降低輸入電容，增加對(duì)輸入信號(hào)的帶寬。一種方法是用高速低噪聲的運(yùn)放來構(gòu)建相對(duì)簡單的探頭，另一種是用很短的同軸電纜直連到示波器的輸入端。在這些情況下，探頭的輸入電容顯著減少。

噪聲攻擊是快速改變輸入到芯片的信號(hào)，以影響它的正常運(yùn)行。通常噪聲是疊加在電源上或時(shí)鐘信號(hào)上，但噪聲也可以是外加的短暫電場(chǎng)或電磁脈沖。在離芯片表面數(shù)百微米處放置兩根金屬針，然后加上少于1微秒的數(shù)百伏電壓的窄脈沖，晶圓襯底會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電場(chǎng)，使得鄰近晶體管的閾值電壓發(fā)生變化。最近出現(xiàn)一種改進(jìn)的方法：使用幾百圈金屬線繞在微探針的針尖構(gòu)成一個(gè)小型電感。當(dāng)電流進(jìn)入線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，針尖將集中磁力線。

單片機(jī)的每個(gè)晶體管和與它相連的線路構(gòu)成有時(shí)延特性的RC電路。處理器的最大可用時(shí)鐘頻率取決于該電路的最大延遲。同樣的，每個(gè)觸發(fā)器在接收輸入電壓和由此引致的輸出電壓之間有個(gè)特征時(shí)間窗口。這個(gè)窗口由給定的電壓和溫度來確定。如果用時(shí)鐘噪聲(比正常的時(shí)鐘脈沖要短得多)或電源噪聲(電源電壓的快速波動(dòng))將會(huì)影響芯片里的某些晶體管，導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)。通過改變參數(shù)，處理器會(huì)被導(dǎo)致執(zhí)行許多完全不同的錯(cuò)誤指令，有時(shí)甚至是不被微碼支持的。盡管我們不會(huì)預(yù)先知道何種噪聲會(huì)導(dǎo)致何種芯片的何種錯(cuò)誤，但它能相當(dāng)簡單地進(jìn)行系統(tǒng)的搜索。

1、時(shí)鐘噪聲攻擊

時(shí)鐘信號(hào)的噪聲攻擊在目前是最簡單的，且相當(dāng)實(shí)用的芯片解密方法。實(shí)際應(yīng)用中的噪聲通常用來取代跳轉(zhuǎn)條件并試驗(yàn)先前的測(cè)試指令?？梢栽诎踩艽a問詢處理時(shí)創(chuàng)建一個(gè)攻擊窗口，簡單預(yù)防執(zhí)行這些指令。指令噪聲也能用來擴(kuò)大循環(huán)的時(shí)間。如串口子程序在輸出緩沖后再讀更多的內(nèi)容;或在密鑰操作時(shí)減少循環(huán)次數(shù)來傳一個(gè)弱的密碼。

為獲得噪聲，時(shí)鐘需要臨時(shí)增加一個(gè)或大于半個(gè)周期，有些觸發(fā)器在到達(dá)新狀態(tài)之前就獲得輸入。時(shí)鐘噪聲通常針對(duì)處理器的指令流。對(duì)硬件執(zhí)行安全保護(hù)的微控制器沒有什么效果。實(shí)際中，僅使用時(shí)鐘噪聲來攻擊微控制器或智能卡的軟件程序接口。

這類保護(hù)的破解是相對(duì)容易的。如處理器在循環(huán)里只執(zhí)行一個(gè)指令，攻擊時(shí)可用不同的時(shí)鐘噪聲導(dǎo)致處理器誤操作。不需要小心地與時(shí)鐘信號(hào)同步，只需要隨機(jī)制造噪聲就可在數(shù)次攻擊內(nèi)成功。插入噪聲是相對(duì)容易的，無需使用外部發(fā)生器，瞬間短路晶振即可。當(dāng)諧振器在不同的泛音上產(chǎn)生震蕩會(huì)發(fā)出很多噪聲。大部分情況下需要在確定的時(shí)鐘周期內(nèi)獲得所需結(jié)果，在這種情況下用信號(hào)發(fā)生器更好。

使用時(shí)鐘噪聲來攻擊某些微控制器也許是很困難的。例如德儀的MPS430微控制器在內(nèi)部RC震蕩器工作的啟動(dòng)模塊。很難與內(nèi)部時(shí)鐘同步，攻擊時(shí)很難估計(jì)精確的時(shí)間。一些智能卡在處理器指令流里會(huì)隨機(jī)插入延遲，使得攻擊更為困難。使用功耗分析會(huì)有幫助，但要求非常昂貴的設(shè)備來實(shí)時(shí)獲得參考信號(hào)。

2、電源噪聲攻擊

電源供應(yīng)電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶體管閾值電平的漂移。結(jié)果就是一些觸發(fā)器在不同的時(shí)間里采樣它們的輸入，或讀出錯(cuò)誤的安全熔絲的狀態(tài)。通常用瞬間增加電源電壓或電壓跌落來制造噪聲，一般在10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)。電源噪聲通常用在微控制器的程序接口上，能影響處理器運(yùn)行或硬件安全電路。一般地，弱點(diǎn)比時(shí)鐘噪聲更難找到并利用，因?yàn)閷?duì)于時(shí)域參數(shù)，振幅，上升/下降時(shí)間都是變量。

一個(gè)例子是上例提到的攻擊MC68C05B6.如果在執(zhí)行AND $0100指令時(shí)電源電壓減少50-70%，處理器從EEPROM中取出的值是FFh而不是實(shí)際的值。這會(huì)對(duì)應(yīng)熔絲未加密狀態(tài)。竅門是小心計(jì)算執(zhí)行時(shí)間來減少電源電壓，否則處理器會(huì)停止運(yùn)行或進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。這種任務(wù)并不難，復(fù)位后目標(biāo)指令在第一個(gè)一百周期內(nèi)被執(zhí)行。破解者可以使用矢量發(fā)生器或構(gòu)建一個(gè)自己的噪聲源。

另一個(gè)是微芯的老舊的PIC16F84。芯片的擦除操作會(huì)解除安全保護(hù)。但同時(shí)會(huì)芯片上程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。安全保護(hù)電路在硬件設(shè)計(jì)上是在安全熔絲復(fù)位之前擦掉存儲(chǔ)器。但我們發(fā)現(xiàn)在芯片擦除操作時(shí)電源電壓幾微秒內(nèi)增加到大約10V，會(huì)中斷存儲(chǔ)器擦除操作，但安全熔絲正常完成復(fù)位，這使得有可能讀出存儲(chǔ)器里的內(nèi)容。如此高壓需要謹(jǐn)慎使用，如果時(shí)間過長會(huì)損傷芯片。新版本的PIC16F84A增加了防欠壓和過壓攻擊的能力。如果電源電壓低于3V或6V，通過編程接口的任意修改存儲(chǔ)器的操作會(huì)被立即中斷。

不是一直需要電源噪聲超過電源電壓范圍的規(guī)格。例如，PIC18F84A微控制器，保護(hù)機(jī)制可以阻止在芯片擦除操作開始后使用大于50mV的噪聲。那會(huì)導(dǎo)致中止程序存儲(chǔ)器的擦除操作但不會(huì)擦掉熔絲。

上述例子表明噪聲攻擊時(shí)無需特殊工具就有很好的效果。智能卡里有時(shí)鐘監(jiān)控電路但極少微控制器有。

芯片密鑰存儲(chǔ)于靜態(tài)RAM里，在破解某些芯片時(shí)RAM內(nèi)容丟失，從而保護(hù)密鑰不被竊取。很多芯片使用密鑰或類似的方法進(jìn)行加密和別的安全相關(guān)的計(jì)算，需要不能被讀出或改變。最普遍的解決方法是把安全密鑰放在帶篡改傳感器的易失存儲(chǔ)器中。一旦檢測(cè)到發(fā)生篡改，易失傳感器會(huì)掉電或短路到地。但如果數(shù)據(jù)保留時(shí)間大于破解者打開元器件并對(duì)存儲(chǔ)器上電的時(shí)間，那保護(hù)機(jī)制就被摧毀了。

在早期芯片解密者發(fā)現(xiàn)低溫能將SRAM的數(shù)據(jù)保存時(shí)間增加到幾秒甚至幾分鐘。對(duì)于那個(gè)時(shí)候的元器件，發(fā)現(xiàn)零下20度就可以增加數(shù)據(jù)保存時(shí)間，并且會(huì)隨著溫度的降低而增加保持的時(shí)間。有些就增加了溫度傳感器，溫度低于零下20度就觸發(fā)篡改事件，立即清零存儲(chǔ)器。本次試驗(yàn)是重復(fù)這個(gè)工作，察看2000年后的產(chǎn)品是否也有此特性。

另一個(gè)需要關(guān)注的是即使部分內(nèi)容已被破壞，安全信息也能被復(fù)原。假設(shè)破解者獲得了n=128位密鑰中的m=115位，也就是90%的信息。他可以通過搜索n!/(m!(n-m)!=128!/(115!13!)=2.12*1017~258個(gè)可能的密鑰。通過1萬臺(tái)電腦，每臺(tái)每秒進(jìn)行10億次搜索密鑰的操作，破解者只需6個(gè)小時(shí)就能搜遍所有密鑰。如果只有80%的信息，也就是知道128位密鑰中的103位，那就有2.51*1026~288種可能。幾乎增大了一百倍，破解者要花百萬年來搜索密鑰，故認(rèn)為均勻的128位密鑰不能被恢復(fù)。

軟件攻擊是使用處理器通信接口，利用協(xié)議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來進(jìn)行攻擊的。軟件攻擊取得成功的一個(gè)典型事例是對(duì)早期ATMEL AT89C 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，來做軟件攻擊。

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。使用最廣泛的要數(shù)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，而時(shí)鐘瞬態(tài)跳變會(huì)復(fù)位保護(hù)電路同時(shí)不破壞受保護(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。

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。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)量儀器和數(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。

以上芯片解密技術(shù)可以分成兩大類，一類是侵入型攻擊需要破壞封裝，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；類是非侵入型攻擊，被攻擊的單片機(jī)不會(huì)被物理損壞。