你的芯片，能抵擋住幾次攻擊？
[導讀]1.你的芯片安全嗎？如果大家看過速度與激情這部電影，一定對下面這一幕有深刻的印象：黑客通過遠程控制上千輛的僵尸車輛，去自動攔截搶奪握有核發(fā)射密碼的人!然后掌控人類的命運?，F(xiàn)實生活中可能沒有電影里這么戲劇化，不過危機卻在我們身邊時刻不停地在上演。大品牌的電子產品被仿冒造成的損失是不...
1. 你的芯片安全嗎？如果大家看過速度與激情這部電影，一定對下面這一幕有深刻的印象：黑客通過遠程控制上千輛的僵尸車輛，去自動攔截搶奪握有核發(fā)射密碼的人! 然后掌控人類的命運。現(xiàn)實生活中可能沒有電影里這么戲劇化，不過危機卻在我們身邊時刻不停地在上演。大品牌的電子產品被仿冒造成的損失是不可估量的。同時，將來隨著物聯(lián)網，自動駕駛等技術的普及，其核心芯片的安全問題越來越重要，一旦被破解，遭受攻擊，后果難以想象。然而，芯片的安全性確是大多數(shù)工程師往往忽略，或者說不太重視的問題。這里我們對芯片如何被破解進行一個簡單的探討，從而大家可以有針對性地采取一些防護手段。大家知道一個電子產品，硬件電路被復制是幾乎沒有什么難度的，即使打磨掉芯片上的字符。所以最關鍵的是獲得芯片內部存儲的代碼，因為代碼是整個系統(tǒng)運行的靈魂。現(xiàn)在大多數(shù)芯片都有加密位，在設置加密位后，通過編程工具是沒有辦法讀出代碼的。但我們不要低估了壞人的邪惡，他們會想盡種種辦法來進行攻擊。從總體上來說可以歸結為兩種方法：侵入式攻擊和非侵入式攻擊。如果用保險箱來比喻，盜取鑰匙打開保險箱可以說是非侵入式攻擊，拿電鋸鋸開保險箱就屬于侵入式攻擊了。2. 常用的攻擊手段2.1 部分擦除加密后的芯片一般允許整體擦除(Mass Erase)。如果在整體擦除芯片時，控制擦除的時間，在剛剛好擦除掉加密位的時候停止(比如掉電)，那么芯片就被解密了。2.2 電壓毛刺(Power Glitch)攻擊是在芯片電源引腳故意輸入毛刺，使得芯片運行受到影響，使其運行跳過某些指令或發(fā)生錯誤的操作，從而使芯片信息泄露。2.3 欠壓，過壓，時鐘瞬態(tài)跳變利用欠壓，過壓，時鐘的瞬態(tài)跳變，使芯片產生異常，影響芯片的正常執(zhí)行，使保護電路失效。2.4 時序攻擊(Timing Attack)代碼在處理不同的數(shù)據(jù)，或走不同的流程時，時間上是不同的。時序攻擊利用這一特點可以反推密鑰。2.5 功率分析（SPA: Simple Power Analysis）芯片在運行不同的指令的時候，消耗的功率是不一樣的。功率分析正是利用種特性，在代碼運行密碼相關運算時，用高分辨率功率測量儀器從外部測量芯片功率的變化，從而提取加密密鑰。2.6 差分功率分析 DPA(Differential Power Analysis)在SPA的基礎上，收集已有的密碼運算時的功率變化數(shù)據(jù)，在多次統(tǒng)計的基礎上進行分析。是比SPA更有效的攻擊。2.7 硬解密這是最暴力，最不好防范的攻擊方法。它用溶劑溶解芯片外面的殼體，把芯片暴露出來，然后用高倍顯微鏡和聚焦離子束 FIB(Focused Ion Beam)找到加密位置，把它改變?yōu)榉羌用軤顟B(tài)，然后讀出芯片內容，然后進行解密，反匯編。看了這些攻擊手段，是不是開始出冷汗了呢？別擔心，這只是一部分大家都熟悉的方法，哈哈。不過隨著進攻之矛越來越鋒利，防御之盾也越來越堅固。在講防御辦法前，我們先對相關的加密算法做一個簡單的介紹吧。
3. 流行的加密算法3.1 哈希算法(Hash)它的作用是把任意長度的明文，通過單向加密函數(shù)，生成固定長度的信息摘要。如果明文發(fā)生變化，那么會引起信息摘要的變化。從信息摘要無法反推出明文。常用算法: MD5,SHA-1。3.2 對稱加密算法(Symmetric Encryption)用相同的密鑰進行加密和解密。如同一個保險柜，一個人用一把鑰匙把文件鎖進去，另一個人需要用相同的鑰匙打開保險柜，才能看到文件里寫的什么。這種算法的關鍵是密鑰的保存，分發(fā)，防止非授權的人獲得密鑰。常用算法: DES, AES，RCx3.3 非對稱加密算法(Asymmetric Encryption)所謂非對稱指的是加密方和解密方使用的密鑰不同。如同一個保險柜有兩個門，一個是入口，一個是出口，用入口的鑰匙只可以把明文放進去，用出口的鑰匙可以把明文取出。這種算法帶來的好處是可以把入口的鑰匙公開出來(公鑰)，大家都可以用公鑰進行加密，但是除了掌管私鑰的人，其他人是沒有辦法看到保險柜中的內容的。常用算法: RSA，ECC4. 加密算法的特點和安全性Hash 主要用于數(shù)字簽名。據(jù)說最早的應用之一是美蘇互相把地震儀放到對方，監(jiān)控對方有沒有進行核試驗。雙方對對方都不放心啊，所以用這種算法把數(shù)據(jù)做數(shù)字簽名，大家都能看到數(shù)據(jù)，而且不能篡改。對稱加密算法運算速度快，一般用來對大量數(shù)據(jù)加解密。公鑰算法運算速度比較慢，消耗資源多。它常常在開始階段用來分發(fā)對稱算法使用的密鑰，之后通訊切換到對稱加解密算法。理論上所有加密算法都是可以被破解的，只是花費的時間和代價的問題。只有一種加密方法是完全無法破解的，那就是一次一密。加密者和解密者使用相同的密碼本，密鑰是真隨機數(shù)，而且長度和明文相等，每一個明文字母用一個密鑰字母加密成密文，密碼本使用一次后既廢棄。據(jù)說很多間諜就是用的這種加密方法。5. 如何保護芯片假如我們寫了一份機密文件，怎樣才能不被別人得到呢？首先想到的還是保險柜，我們可以把文件鎖進保險柜里，當然保險柜有不同級別，有的還有監(jiān)控功能，比如發(fā)現(xiàn)有人敲擊，挪動，高溫(切割)等就發(fā)出報警，或者把文件銷毀。當然越高級的保險柜價格越高。再有就是我們把寫的內容加密，即使間諜拿到了也看不懂。最后為了更保險，我們還可以把文件分為兩份，分別鎖進兩個保險柜里。對于代碼來說，也是類似的。把代碼放入芯片后設置加密位，使別人無法讀出；或者用芯片的唯一序列號用算法加密后存入特定地址，運行前做比對；或者把代碼(或代碼的一部分)加密后存入外部存儲器，只發(fā)送給握有密鑰的主芯片；這就會用到前面我們介紹的幾種算法之一，或幾種的組合。我們可以根據(jù)產品的價值來使用不同等級的保護方法。下面是一些從硬件到軟件需要考慮的地方：a. 設置加密位。如果芯片支持則設置禁止整體擦除。b. 下載代碼后把調試口禁止掉。c. 地址線和數(shù)據(jù)線打亂。用PAL,GAL,CPLD做映射。d. 盡量不用代碼里的默認值，代碼空間不留空白區(qū)域。如果猜測出一部分明文，將會導致破解變得容易。e. 在處理密碼或數(shù)據(jù)時用混入隨機數(shù)，插入指令等方法，使功耗變化盡量小，不同分支運行時間差別盡量小。防止時序和功率分析攻擊。f. 加密盡量用長的密鑰。g. 在選用 MCU 時，要考慮它是否有足夠強的防破解能力。如 STM32L562的以下特性可以用來提高系統(tǒng)的防御能力：
- ARM TrustZone 內核
- 電壓跌落檢測 Brownout Reset
- 帶入侵檢測寄存器 Tamper and backup registers (TAMP)
- 支持安全啟動 unique boot entry and hide protection area
- 主動入侵檢測(Active tamper and protection against temperature, voltage and frequency attacks)
- 真隨機數(shù)發(fā)生器(True random number generator NIST SP800- 90B compliant)
- 全球唯一序列號(96-bit Unique ID)
- 哈希算法加速器(HASH hardware accelerator)
- AES協(xié)處理器
- 公鑰算法加速器(Public key accelerator)
參考資料：1.Applied Cryptograhpy, Bruce Schneier2.STM32L562 Datasheet
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