作者：Yaseng&獨抒@伏宸安全實驗室
公眾號：伏宸安全實驗室

前言

傳統基于窮舉或純數學理論層面的分析，對于現代高強度加密算法而言，算力有限導致無法實現窮舉，算法的復雜性也無法通過數學工具直接破解，根據近代物理學發展出來的理論，電子設備依賴外部電源提供動力，設備在運行過程中會消耗能量，同時會跟外界環境存在聲、光、電、磁等物理交互現象產生，設備本身也可能存在設計薄弱點，通過這些物理泄露或人為進行物理層的修改獲取數據，然后運用各類數學工具和模型實現破解。

然而在做物理攻擊時，往往需要昂貴的設備，并要具備數學、物理學、微電子學、半導體學、密碼學、化學等等多學科的交叉理論知識，因此其技術門檻和攻擊成本都很高，目前在剛剛結束的 Blackhat 2018 上，展臺上展示了多款 ChipWhisperer 硬件工具,作為親民型的物理攻擊平臺，獲得了一致的好評。

(圖片來源 Newae 官方)

ChipWhisperer Lite 版官方商店售價 $250 ，不管是實驗學習，還是實戰入門，都是極具性價比的，本文主要介紹主流的一些物理攻擊手段，以及對 ChipWhisperer 的初步認知，后續將會據此從理論、原理、實驗以及實戰等角度詳細介紹該平臺。

物理攻擊

真正的安全研究不能凌駕于真實的攻防場景，對于物聯網安全而言，其核心目標是真實物理世界中的各種硬件設備，真實的攻擊場景往往發生在直接針對硬件設備的攻擊，因此物聯網安全的基石在于物理層的安全，而針對物聯網物理攻擊手段，是當前物聯網面臨的最大安全風險之一。

物理攻擊就是直接攻擊設備本身和運行過程中的物理泄露，根據攻擊過程和手段可以分為非侵入攻擊、半侵入式攻擊和侵入式攻擊。ChipWhisperer 平臺主要用做非侵入式攻擊，包括側信道和故障注入攻擊等。

傳統密碼分析學認為一個密碼算法在數學上安全就絕對安全,這一思想被Kelsey等學者在1998年提出的側信道攻擊(Side-channel Attacks,SCA)理論所打破。側信道攻擊與傳統密碼分析不同,側信道攻擊利用功耗、電磁輻射等方式所泄露的能量信息與內部運算操作數之間的相關性,通過對所泄露的信息與已知輸入或輸出數據之間的關系作理論分析,選擇合適的攻擊方案,獲得與安全算法有關的關鍵信息。目前側信道理論發展越發迅速，從最初的簡單功耗分析（SPA），到多階功耗分析（CPA），碰撞攻擊、模板攻擊、電磁功耗分析以及基于人工智能和機器學習的側信道分析方式，側信道攻擊方式也推陳出新，從傳統的直接能量采集發展到非接觸式采集、遠距離采集、行為側信道等等。

利用麥克風進行聲波側信道

利用軟件無線電實施非接觸電磁側信道

故障攻擊就是在設備執行加密過程中，引入一些外部因素使得加密的一些運算操作出現錯誤，從而泄露出跟密鑰相關的信息的一種攻擊。一些基本的假設：設定的攻擊目標是中間狀態值； 故障注入引起的中間狀態值的變化；攻擊者可以使用一些特定算法（故障分析）來從錯誤/正確密文對中獲得密鑰。

使用故障的不同場景： 利用故障來繞過一些安全機制（口令檢測，文件訪問權限，安全啟動鏈）；產生錯誤的密文或者簽名（故障分析）；組合攻擊（故障+旁路）。

非侵入式電磁注入

半侵入式光子故障注入

侵入式故障注入

ChipWhisperer

簡介

本系列使用的版本是 CW1173 ChipWhisperer-Lite ，搭載 SAKURA-G 實驗板，配合一塊 CW303 XMEGA 作為目標測試板。

CW1173 是基于FPGA實現的硬件，軟件端基于 python，具有豐富的擴展接口和官方提供的各類 API 供開發調用，硬件通過自帶的 OpenADC 模塊可以實現波形的捕獲，不需要額外的示波器。

板上自帶有波形采集端口（MeaSure）和毛刺輸出（Glitch）端口，并自帶 MOSFET 管進行功率放大。

并提供多種接口觸發設置，基本滿足一般的攻擊需求。

能量攻擊

芯片物理結構為許多CMOS電路組合而成，CMOS 電路根據輸入的不同電信號動態改變輸出狀態，實現0或1的表示，完成相應的運算，而不同的運算指令就是通過 CMOS 組合電路完成的，但 CMOS電路根據不同的輸入和輸出，其消耗的能量是不同的，例如匯編指令 ADD 和 MOV ，消耗的能量是不同的，同樣的指令操作數不同，消耗的能量也是不同的，例如 MOV 1 和 MOV 2其能量消耗就是不同的，能量攻擊就是利用芯片在執行不同的指令時，消耗能量不同的原理，實現秘鑰破解。

常用的能量攻擊方式就是在芯片的電源輸入端（VCC）或接地端（GND）串聯一個1到50歐姆的電阻，然后用示波器不斷采集電阻兩端的電壓變化，形成波形圖，根據歐姆定律，電壓的變化等同于功耗的變化，因此在波形圖中可以觀察到芯片在執行不同加密運算時的功耗變化。

CW1173 提供能量波形采集端口，通過連接 板上的 MeaSure SMA 接口，就可以對能量波形進行采集，在利用chipwhisperer 開源軟件就可以進行分析，可以實現簡單能量分析、CPA攻擊、模板攻擊等。

通過 cpa 攻擊 AES 加密算法獲取密鑰

毛刺攻擊

ChipWhisperer 提供對時鐘、電壓毛刺的自動化攻擊功能，類似于 web 滲透工具 Burpsuite ，可以對毛刺的寬度、偏移、位置等等參數進行 fuzz ，通過連接板上的 Glitch SMA 接口，就可以輸出毛刺，然后通過串口、web 等獲取結果，判斷毛刺是否注入成功。

時鐘毛刺攻擊是針對微控制器需要外部時鐘晶振提供時鐘信號，通過在原本的時鐘信號上造成一個干擾，通過多路時鐘信號的疊加產生時鐘毛刺，也可以通過自定義的時鐘選擇器產生，CW1173 提供高達 300MHZ 的時鐘周期控制，時鐘是芯片執行指令的動力來源，通過時鐘毛刺可以跳過某些關鍵邏輯判斷，或輸出錯誤數據。

通過 CW1173 時鐘毛刺攻擊跳過密碼驗證

電壓毛刺是對芯片電源進行干擾造成故障，在一個很短的時間內，使電壓迅速下降，造成芯片瞬間掉電，然后迅速恢復正常，確保芯片繼續正常工作，可以實現如對加密算法中某些輪運算過程的干擾，造成錯誤輸出，或跳過某些設備中的關鍵邏輯判斷等等 。

對嵌入式設備的電壓毛刺攻擊

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隨著物理攻擊理論和技術的進步，針對硬件芯片的防護手段也隨之提高，芯片物理層的攻防一直在不斷角力 ，現實環境中，能量采集會受到各種噪聲因素的干擾，硬件廠商也會主動實施一些針對物理攻擊的防護，單純依靠 ChipWhisperer 平臺難以實現真實場景的攻擊，因此還需要結合電磁、聲波、紅外、光子等多重信息，以及對硬件進行修改，多重故障注入，引入智能分析模型等等組合手段，今后會進一步介紹一些基于 ChipWhisperer 的高級攻擊方式和實戰分析方法。

參考

  1. ChipWhisperer 官網 wiki https://wiki.newae.com/Main_Page
  2. 開源項目 https://github.com/newaetech/chipwhisperer
  3. ChipSHOUTER 電磁故障平臺 https://github.com/newaetech/ChipSHOUTER
  4. USB 附加模塊 https://github.com/scanlime/facewhisperer
  5. 深度學習側信道攻擊 https://www.riscure.com/publication/lowering-bar-deep-learning-side-channel-analysis/
  6. 使用毛刺攻擊提取汽車 ECU 固件 https://www.riscure.com/publication/fault-injection-automotive-diagnostic-protocols/
  7. 《物聯網安全百科》 https://iot-security.wiki

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