關(guān)于MCU程序加密

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自從上世紀(jì)七十年代 MCU 誕生以來，芯片的破解技術(shù)與防止芯片被破解方案就在不斷在上演著“道高一尺，魔高一丈”，一山更比一山高的追逐。

本文將單片機(jī)在安全保護(hù)方面的發(fā)展歷程與大家分享，并在文章的最后，總結(jié)了現(xiàn)階段安全級別最高的智能卡芯片的優(yōu)點(diǎn)及其缺點(diǎn)。

單板機(jī)時代

上世紀(jì) 70 年代初期，嵌入式系統(tǒng)是由分離部件如：CPU、ROM、RAM、I/O 緩存、串口和其他通信與控制接口組成的控制板。

這一時期除法律外，幾乎沒有保護(hù)措施來防止侵入者復(fù)制單板機(jī)上 ROM 區(qū)的數(shù)據(jù)。

單片機(jī)時代

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，中央處理單元(CPU)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)及其他 I/O 通信口都集成在一塊單片機(jī)芯片上了，微控制器 MCU 取代了單板機(jī)。如圖：

這一時期，內(nèi)部存儲器 EEPROM 和 MCU 是分開封在同一封裝內(nèi)部。侵入者可用微探針來獲取數(shù)據(jù)。

安全熔斷絲

隨著入侵者的增加，MCU 為了自身的安全，后來增加了安全熔斷絲(Security Fuse)來禁止訪問數(shù)據(jù)。如圖：

優(yōu)點(diǎn)：很容易做到，不需要完全重新設(shè)計(jì) MCU 構(gòu)架，僅用熔斷絲來控制數(shù)據(jù)的訪問。

缺點(diǎn)：熔斷絲容易被定位、攻擊。例如：熔絲的狀態(tài)可以通過直接把位輸出連到電源或地線上來進(jìn)行修改。有些僅用激光或聚焦離子束來切斷熔絲的感應(yīng)電路就可以了。用非侵入式攻擊也一樣成功，因?yàn)橐粋€分離的熔絲版圖異于正常存儲陣列，可以用組合外部信號來使位處與不能被正確讀出的狀態(tài)，那樣就可以訪問存在內(nèi)部芯片上信息了。用半侵入式攻擊可以使破解者快速取得成功，但需要打開芯片的封裝來接近晶粒。一個眾所周知方法就是用紫外線擦掉安全熔斷絲。

熔絲存儲器陣列

再后來 MCU 制造商將安全熔絲做成存儲器陣列的一部分，如圖：

一般的熔絲與主存儲器離得很近，或干脆共享些控制線，與主存儲器用相同的工藝來制造，熔斷絲很難被定位。非入侵試攻擊仍然可以用，可以用組合外部信號來使熔斷位處于不被正確讀出的狀態(tài)。同樣，半侵入式攻擊也可用。當(dāng)然破解者需要更多的時間去尋找安全熔絲或控制電路負(fù)責(zé)安全監(jiān)視的部分，但這些可以自動完成。進(jìn)行侵入式攻擊將是很困難需要手工操作，那將花費(fèi)更多的成本來破解。

外部對數(shù)據(jù)訪問

再后來，又有一種用主存儲器的一部分來控制外部對數(shù)據(jù)訪問的方法。

利用上電時鎖定特定區(qū)域地址的信息，將它作為安全熔絲?；蛴妹艽a來控制對存儲器訪問。

例如德州儀器的 MSP430F112 只有輸入正確的 32 字節(jié)密碼后才能進(jìn)行回讀操作。如果沒輸入，只有擦字節(jié)密碼后才能進(jìn)行回讀操作。

盡管這個保護(hù)方法看上去比先前的更有效，但它有一些缺點(diǎn)可以用低成本的非侵入式攻擊，如時序分析和功耗來破解。

如果安全熔絲狀態(tài)是上電或復(fù)位后存儲器的一部分，這就給破解者用電源噪聲來破解的機(jī)會，強(qiáng)制進(jìn)入存儲中錯誤狀態(tài)。

頂層金屬網(wǎng)絡(luò)

使用頂層金屬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提升入侵難度。所有的網(wǎng)格都用來監(jiān)控短路和開路，一旦觸發(fā)，會導(dǎo)致存儲器復(fù)位或清零。如圖：

普通的 MCU 不會使用這種保護(hù)方法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)較難，且在異常運(yùn)行條件下也會觸發(fā)，如：高強(qiáng)度電磁場噪聲，低溫或高溫，異常的時鐘信號或供電不良。故有些普通的 MCU 使用更廉價的偽頂層金屬網(wǎng)格，會被非常高效的光學(xué)分析進(jìn)行微探測而被攻擊。另外，這些網(wǎng)格不能防范非侵入式攻擊。同樣不能有效防范半侵入式攻擊，因?yàn)閷?dǎo)線之間有電容，并且光線可以通過導(dǎo)線抵達(dá)電路的有效區(qū)域。在智能卡中，電源和地之間也鋪了一些這樣的網(wǎng)格線。部分可編程的智能卡走的更遠(yuǎn)，干脆砍掉了標(biāo)準(zhǔn)的編程接口，甚至干掉了讀取EEPROM 接口，取而代之的是啟動模塊，可以在代碼裝入后擦掉或者屏蔽自己，之后只能響應(yīng)使用者的嵌入軟件所支持的功能。有效的防范了非侵入式攻擊。

智能卡芯片

近些年，一些智能卡使用存儲器總線加密(Bus Encryption)技術(shù)來防止探測攻擊。如圖：

數(shù)據(jù)以密文方式存儲在存儲器中。即使入侵者獲得數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，也不可能知道密鑰或者別的敏感信息(如數(shù)據(jù)還原方法)。

這種保護(hù)措施有效的防范了侵入式和半侵入式攻擊。有些智能卡甚至能夠做到每張卡片總線加密密鑰不同，這樣即使入侵者完全破解了，也無法生產(chǎn)出相同功能的芯片來，因?yàn)槊總€智能卡芯片有唯一的 ID 號，無法買到相同 ID 號的智能卡。

另外值得一提的是，有些智能卡將標(biāo)準(zhǔn)的模塊結(jié)構(gòu)如解碼器，寄存器文件，ALU 和 I/O 電路用類似 ASIC 邏輯來設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)成為混合邏輯(Gle Logic)設(shè)計(jì)。混合邏輯使得實(shí)際上不可能通過手工尋找信號或節(jié)點(diǎn)來獲得卡的信息進(jìn)行物理攻擊。

大大提高了 CPU 內(nèi)核的性能和安全性?；旌线壿嬙O(shè)計(jì)幾乎不可能知道總線的物理位置，有效的防范了反向工程和微探測攻擊。

最后

堅(jiān)持不懈的嘗試突破保護(hù)機(jī)制的破解團(tuán)體和不斷引入新的安全防范方案的制造商之間的斗爭是沒有盡頭的。“道高一尺，魔高一丈”，又或是“邪不壓正”，將不停的在兩派之間上演!

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