三种破解MCU 技术
MCU的安全等级正在逐步提升，一些公司甚至推出了安全主控，这是很好的现象，说明大家越来越重视嵌入式领域的信息安全和程序安全了。但对于很多特殊行业，比如消费类电子产品，低成本的通讯模块、电源控制模块等等，迫于成本压力以及更新换代速度问题，都无法使用更安全的主控MCU，有很大一部分产品甚至还在使用51单片机。
大家可能都知道破解51单片机是很容易的，但为什么容易，又是如何来破解的，可能很多人就不大清楚了，我在这里结合网上一些前辈整理的资料，和自己的经验，对MCU破解技术做个简单分析。
大家不要把解密想的很复杂，他不像研发一款产品那样，先确定客户需求或者新产品主要功能，然后立项确定技术指标，分配软硬件开发任务，基于硬件调试程序，然后验证功能，测试bug，还要做环境试验。行业里解密的方法有很多，每个人破解的思路也不一样。但是大致分为几种。
▍1、软件破解
利用软件破解目标单片机的方法，利用这种方法，不会对目标MCU元器件造成物理损伤。主要是对WINBONGD，SYNCMOS单片机和GAL门阵列，这种利用软件解密设备，按照一定的步骤操作，执行片内的程序送到片外的指令，然后用解密的设备进行截获，这样芯片内部的程序就被解密完成了（GAL采用逻辑猜测），就可以得到加密单片机中的程序。
▍2、硬件破解
流程如下：
① 测试
使用高档编程器等设备测试芯片是否正常，并把配置字保存。
② 开盖
采用手工或专用开盖设备进行开盖处理，这里说的开盖并不是说单片机或者其他MCU真有一个盖。简单解释一下，MCU其实是一个大规模集成电路，它是由N个电路组合而成的，而晶圆就是搭载集成电路的载体。将晶圆进行封装后，就形成了我们日常所用的IC芯片，封装形式可以有多种，比如TSSOP28、QFN28等。
③ 做电路修改
对不同芯片，提供对应的图纸，让厂家做电路修改，目的是让MCU的存储区变得可读。有些MCU默认不允许读出Flash或者E2PROM中的数据，因为有硬件电路做保护，而一旦切断加密连线，程序就暴露可读了。如下图所示：
（切割掉加密熔丝，这样就可以直接读出芯片内部程序）
④ 读程序
取回修改过的MCU，直接用编程器读出程序，可以是HEX文件，或者BIN文件。
⑤ 烧写样片给客户
按照读出的程序和配置，烧写到目标MCU中，这样就完成了MCU的破解。至此，硬件破解法成功完成。
▍3、软硬兼施
采用软件和硬件结合的方法，需要对芯片的内部结构非常的熟悉。
另外还有其他一些破解技术，例如电子探测攻击、过错产生技术等等，但是最终目的只有一个，就是能够模仿出目标MCU的功能就可以了。
看到这里大家应该明白一个道理，破解MCU并不能做到把MCU中的程序原封不动的还原出来。目前的技术也做不到，至少国内应该做不到。针对以上情况，加密芯片应运而生，初期确实能很好的保护MCU的安全，但很快就被找到了漏洞。
我举个实际破解的例子分析一下，大家就能够明白了。
加密原理：
MCU和加密芯片各存储一条认证秘钥，存储同样的加密算法；
MCU产生随机数发给加密芯片，后者用秘钥加密后将密文返回，此时MCU解密后，比对明文是否和生成的随机数相等。如果相等，程序正常运行;如果不相等，出错处理。
因为盗版商没有这条秘钥，加密芯片与MCU交互的数据又是随机变化的，无法找到规律，所以只能把加密芯片的程序破解了，再复制一片加密芯片才能让MCU的程序跑起来。而加密芯片不同于通用MCU，它内部有很多安全机制，破解难度非常大。
这种加密方案看似非常安全，但其实还是有漏洞的。
破解方法：
1.首先按照第二种破解方法，获取到MCU的HEX文件。此处省略N步，不再复述。
2.使用软件进行HEX反编译，反编译软件目前有很多。
3.在反编译的程序中，找到对比点，比如下图所示，CJNE语句可能就是这个对比点。因此只要把箭头2那行语句删除，然后重新把汇编语言下载到MCU中，破解工作就完成了。此时即使没有加密芯片，MCU也能正常运行了。
其实原因很简单。MCU是要对加密芯片的返回值进行判断的，那么不让他做判断，这样一来不管加密芯片返回值是什么，程序都能正常运行。
因此这种加密方案很快就被破解了。当然也不是这么绝对，因为有些MCU即使剖片也不能获得里面的HEX或者BIN文件，所以这种破解方案也要看MCU的安全等级够不够高。但是足以说明一个问题，这种通过对比加密结果来实现加密的方案，安全等级还是不够高，还是有破解漏洞的。
二怎样防住那些想破解MCU的人
要破解MCU，学校里不会有人讲这个，大概很多老师们也不会。为什么要破解，为了兴趣？研究？挣钱？还可能是太无聊了。不管怎样，学习下MCU的防破解技术，就像了解你家的门锁一样有价值。
微控制器的硬件安全措施与嵌入式系统同时开始发展。三十年前的系统是由分离的部件如CPU，ROM，RAM，I/O缓冲器，串口和其他通信与控制接口组成的。
在早期，除法律和经济外，几乎没有保护措施来防止复制这些设备。例如，ROM是用低成本的掩模技术制造的，可用EPROM轻易复制，但后者通常要贵3-10倍或更多。或定制掩模ROM，那就需要很长的时间和很大的投资。另一种是在游戏机中广泛使用的简易ASIC。这些ASIC主要用于I/O部分来取代数十个逻辑器件，在降低成本的同时防止竞争者的复制，使之不得不应用更大且更贵的解决方案。实际上ASIC不会更安全，用示波器来简单分析信号或穷举所有可能的引脚组合就可以在数小时内得知它的具体功能。
从七十年代后期开始，微控制器提供一种非常好的取代基于CPU的控制板的方法。它们不仅有内部存储器和通用I/O接口，还有一些保护措施以防止未经授权访问内部存储器的内容。
不幸的是，早期的MCU没有提供非易失存储能力，重要的数据不得不存在MCU外部的分离芯片上，因此很容易被读出数据。一些廉价USB狗也用此法来进行软件保护。
图 1 Aladdin HASP4 USB狗 下一步进展就是把EEPROM芯片放在与MCU同一封装的内部。破解这些芯片是不容易的。一种专业的方法是打开样品的封装，用微探针来获得数据。或将芯片重新焊在一个分开的封装内。这两种设备都不是低级破解者所能拥有的。这些破解者会尝试用自制的微探针（旧芯片的焊线区域是相当大的）或利用软件上的缺陷来读出数据。
图2 PIC12CE518微控制器打开封装后的照片，可见非易失数据存储器和MCU是分开封在同一封装内部的。
图3某型32位MCU打开封装后的SEM图 一些MCU始终没有任何特殊的硬件安全保护。它们仅仅是基于不公开编程算法来保护。这可能有伪装回读功能，或用校验功能来代替。一般这些MCU不会提供非常好的保护能力。实际上，在一些智能卡中，适当使用校验功能能够起到很强的保护作用。
下一步增强安全保护的措施就是增加一个硬件安全熔丝(security fuse——安全熔丝就是寄存器)来禁止访问数据。这很容易做到，不需要完全重新设计MCU架构，仅利用熔丝来控制编程接口的回读功能。缺点是熔丝位很容易被定位并进行入侵攻击。例如：熔丝的状态可以通过直接把熔丝位的输出连到电源或地线上来进行修改。有些例子中仅仅用激光或聚焦离子束来切断熔丝的感应电路就可以了。用非侵入式攻击也一样可以成功。
因为一个分离的熔丝版图异于正常的存储阵列。可以用组合外部信号来使熔丝位处不能被正确读出的状态，那样就可以访问存在内部芯片上的信息了。用半侵入式攻击可以使破解者快速取得成功但需要打开芯片的封装来接近晶粒。一个众所周知的方法就是用紫外线来擦掉安全熔丝。
图4 PIC12C508微控制器的安全熔丝位于程序存储器阵列的外部。 再下一步就是将安全熔丝做成存储器阵列的一部分，如果已设好熔丝，可禁止外部读写数据。一般的熔丝与主存储器离得很近，或干脆与主存储器共享一些控制线。因为晶圆厂使用与主存储器相同的工艺来制造，熔丝很难被定位和复位。非侵入式攻击仍然可用，但需要时间去寻找。同样，半侵入式攻击也可用。当然破解者需要更多的时间去寻找安全熔丝或控制电路负责安全监视的部分，但这些可以自动完成的。进行侵入式攻击将是很困难的，需要手工操作，那将花费更多的成本来破解。
图5 MC68HC705C9A微控制器在200倍显微镜下可见安全熔丝是存储器读写控制逻辑的一部分 更进一步的是用主存储器的一部分来控制外部对数据的访问。这可以用上电时锁定特定区域地址的信息，将它作为安全熔丝。或用密码来控制对存储器的访问。例如德仪的MSP430F112，只有输入正确的32字节密码后才能进行回读操作。如果没输入密码，只有擦掉芯片后才能操作。尽管这个保护方法看上去比先前的更有效，它有一些缺点可以用低成本的非侵入式攻击如时序分析和功耗分析来破解。如果安全熔丝的状态是上电或复位后的存储器的一部分，这就给破解者用电源噪声来破解的机会，强制电路进入存储器中的错误状态。
图6 PIC16F648A伪顶层金属层图案使得对芯片进行微探测攻击更困难，200倍放大
别的一些使入侵攻击开销更多的措施包括使用顶层金属网格。所有的网格都用来监控短路和开路，一旦触发，会导致存储器复位或清零。普通的MCU不会使用这种保护方法，因为设计较难，且在异常运行条件下也会触发，如：高强度电磁场噪声，低温或高温，异常的时钟信号或供电不良。故有些普通的MCU使用更廉价的伪顶层金属网格，但这也有非常高效的光学分析进行微探测攻击的方法。在智能卡中，电源和地之间铺了一些这样的网格线。在这些方法中发现一些设计缺陷使得可以进行微探测攻击。同样，这些网格不能保护非侵入式攻击。因为导线之间有电容，并且光线可以通过导线抵达电路的有效区域，半侵入式攻击仍然可能。
可编程的智能卡制造商走得更远，干脆砍掉标准的编程接口。取而代之的是启动模块，可以在代码载入后擦掉或屏蔽掉自己。这些卡只能在初始化时被编程一次，之后只能响应使用者的嵌入软件所支持的读写存在卡里的数据或程序。
图7 ST16系列智能卡芯片表面金属层的敏感网格
近期的一些智能卡使用存储器总线编码(Bus encryption)技术来防止微探测攻击。即使破解者获得数据总线的数据也不可能知道密码或别的敏感信息。这种保护措施直指侵入式和半侵入式攻击。但非侵入式攻击仍然可以像正常的CPU一样访问控制非编码信息。事实上，几年前就发现廉价地破解编码信息的方法。
图8 100倍显微镜下的SLE66系列的智能卡芯片上的硬件总线编码模块，保护存储器免受微探测攻击。
另外一些需要提及的改进是将标准的模块结构如解码器，寄存器文件，ALU和I/O电路用类似ASIC逻辑来设计。这些设计称为混合逻辑(Glue logic)，广泛用于智能卡。混合逻辑使得实际上不可能通过手工寻找信号或节点来获得卡的信息进行物理攻击。这种技术广泛用于盗版，并可提升常见CPU内核的性能和安全性。例如，SX28微控制器的引脚和程序都兼容于微芯的PIC16C57，但它使用了混合逻辑设计，闪存，大容量RAM使它的性能获得大幅提升。在PIC微控制器中，破解者很容易跟踪内存到CPU的数据总线，但在SX微控制器中，几乎不可能知道总线的物理位置，反向工程和微探测攻击将是非常困难且耗费时间。
图9 SX28微控制器引入混合逻辑设计，提升了性能和安全性。 更常用的是芯片由不同模块组成，但每个模块使用混合逻辑设计。如CY7C63001A微控制器。在这种情况下，破解者更容易跟踪模块之间的总线和控制线，并对芯片进行侵入式和半侵入式攻击。混合逻辑设计不能防止非侵入式攻击，但需要更快更昂贵的设备。半侵入式攻击面临伪设计模块的问题。当然破解者可以自动操作来进行穷举搜索并尝试攻击所有可能区域。结果很可能是花了很长时间并没有取得成功。另一方面，破解者可以直接攻击存储器器或它的控制电路。
图10的CY7C63001A微控制器使用部分混合逻辑设计，但内部总线很容易被访问。
技术的进步增加了入侵攻击的成本。十年前很容易使用激光切割器和简单的探针台就可以读写芯片表面的任何点，但对于现代的深亚微米半导体芯片就需要用到不一般的且昂贵的技术，这难倒了很多潜在的破解者。如PIC16F877很容易在显微镜下观察并进行反向工程，藏在顶层金属下的第二层金属和多晶硅层仍然可见。但在PIC16F887A微控制器中使用了平坦化工艺，使得不会显示更深的层。唯一的方法是用物理或化学的方法除去顶层金属。
图11 500倍显微镜下，通过PIC16F877的顶层看到第二层金属和多晶硅层。
图12 500倍显微镜下，看不到PIC16F877A的顶层金属下有什么特别的。
▍安全保护的类型
通过编程接口对片上存储器进行写，校验，读和擦除操作，这可以用硬件（JTAG）或软件（bootloader）来实现。在硬件接口方面，安全保护通常是使用安全熔丝来控制接口的操作，如，阻止存储器中的数据发送到输出缓冲器里。至于软件接口，一般使用密码保护，但通常软件会检测某个硬件安全熔丝的状态。一些微控制器使用了这两种方法，软件启动载入模块控制系统的编程，另一个快速的硬件接口用来大批量生产的编程。每一种都有它的优势和劣势。通过软件，有更好的灵活性和更好的编程控制能力，但会在时间延迟和功耗方面泄漏一些信息。硬件的执行速度更快，对噪声攻击不敏感，不会通过功耗泄漏信息。在硅芯片的资源上，两者都占用类似大小的空间，对于现代的微控制器，与其它较大的部分如程序存储器，处理器和模拟接口相比，这部分几乎可以忽略不计。制造商就可以在同一个芯片上放置两种或更多的编程接口。如通过异步接口进行在线串行编程，标准的并行编程，软件启动模块通过异步接口编程。
一些制造商故意不提供它们的微控制器的编程规格。这对它本身并没有提供很好的保护，只是给破解稍稍增加成本而已。这些信息可以通过在开发板上或通用编程器对芯片进行编程而获得。
很明显，对于最高等级的安全，系统没有任何编程接口，并且不能读写所存储的数据。这通常用于掩模ROM微控制器和智能卡。对这种保护，实用破解方法是用微探针接触数据总线来恢复信息或使用功耗分析和噪声攻击来利用软件的缺陷。当微控制器进行编程但不提供任何返回信息，只有校验和写检查，这可以提供相对高的安全等级。当然，这需要完全执行以避免破解者强制系统一次只校验一个字节。
大部分现代的微控制器有一个或多个安全熔丝来控制片上存储器的读写。这些熔丝可以用软件或硬件来实现。软件的方法就是密码存储在存储器中或一个特定的存储器位置当作一个安全熔丝。例如，在MC68HC908系列，使用了密码保护。
MC68HC705B系列的熔丝位于数据EEPROM存储器的第一个字节。两种方法的安全性都较高，因为很难从物理上找到熔丝和密码的位置并复位它们。同时，破解者会尝试使用噪声攻击来跳过安全检查，或使用功耗分析来观察猜测的密码正确与否。
硬件执行方面，安全熔丝物理上位于芯片上。这可以是主存储器阵列边上的分离的单个单元，甚至更远。所有的PIC和AVR微控制器都这样。这两者的安全性能并不高，熔丝很容易被找到并被屏蔽。
安全熔丝在主存储器中可以提供提供更好的保护，这很难找到并屏蔽它们。主存储器和熔丝可以通过位线(Bit line)接在一起。如Z86E33微控制器，或通过字线(Word line)接在一起，如意法的ST62T60。有趣的是MC68HC705C9A使用了多种安全措施。熔丝单元放在主存储器单元之间，合用位线。如果熔丝被紫外线擦除了，主存储器也会被擦掉。对存储器进行反向工程，发现很难分辨哪部分属于存储器，哪部分属于熔丝。但同时，半侵入式攻击可以很好工作，因为熔丝有分开的控制电路，这很容易被破解而不影响主存储器。
图13 200倍显微镜下，Z86E33微控制器的熔丝沿位线紧挨着主存储器
图14 200倍显微镜下，ST62T60微控制器的熔丝沿字线紧挨着主存储器 硬件安全保护方面的新进展是将熔丝区域嵌入到主存储器阵列中，共享控制或数据线，这样的安全性能更好，熔丝已经成为存储器的一部分，很难进行定位。 将某一部分存储器作为安全熔丝可以达到更高的安全性能。这种情况下，不扰乱其它部分存储器的内容，找到位置并复位是异常困难的。这并不意味着别的破解方法不能凑效。但可以减少成功的机会。
安全熔丝可以通过多种方法来监控。最简单的方法就是在上电时；复位时；进入编程模式时检查熔丝的状态。使用电源噪声或激光脉冲，可以用很短的时间就改变熔丝的状态。熔丝状态保存在触发器或寄存器中并不好，因为触发器的状态可以通过缺陷注入攻击来改变。
三MCU制造商必需掌握的7种攻防技术
▍ 什么是非侵入式攻击？
非侵入式攻击不需要对元器件进行初始化。攻击时可以把元器件放在测试电路中分析，也可单独连接元器件。一旦成功，这种攻击很容易普及，并且重新进行攻击不需要很大的开销。另外，使用这种攻击不会留下痕迹。因此，这被认为是对任意元器件的硬件安全最大的威胁。同时，通常需要很多时间和精力来寻找对特定元器件的非侵入式攻击方法。这通常需要对元器件进行反向工程，包括反汇编软件和理解硬件版图。
非侵入式攻击可以是被动的或主动的。被动攻击，也叫侧面攻击，不会对被攻击元器件发生作用，但通常是观察它的信号和电磁辐射，如功耗分析和时钟攻击。主动攻击，如穷举攻击和噪声攻击，特点是将信号加到元器件上，包括电源线。
一个简单的非侵入式攻击可以是复制一个上电配置的基于SRAM的FPGA。接上配置芯片用的JATG接口，用示波器或逻辑分析仪，捕捉所有信号。然后可以通过分析波形并回复独有的命令。
只使用到一半的FPGA资源时，可以轻微改变数据流来伪装盗版的事实。配置时留下一点空间而不影响元器件的运行。JTAG接口在发送信号时序时也有一些自由，故盗版的波形可以设置成看上去与原始信号不一样的。另外，破解者可以在上传时交换行地址，给人的印象是完全不同的设计。
▍ 什么是含糊与安全？
半导体制造商给大客户提供了增强产品防破解能力的措施：包装上的客户印字代替了标准的芯片型号。这给人的印象是产品是由定制的集成电路设计的。众所周知，ASIC提供了很好地保护措施来防止多种攻击，只有极少数经验丰富且装备精良的破解者才有可能成功破解。这会使很多潜在的破解者望而却步。但一个信心坚定的破解者会尝试用简单的方法确定芯片是不是真的ASIC。最简单的方法是观察连接到电源，地，时钟，复位，串口或别的接口的引脚。与数据库中被怀疑的微控制器相比较，这种结果非常可靠，因每种微控制器都有自己的引脚特点。一旦发现相似的，就把它放在通用烧写器上尝试读出结果。
另一个简单的方法是限制访问程序存储器。通常用在智能卡中，但一些微控制器中也用到。这不是很可靠且实用的方法。当然在智能卡中用得很好，所有的客户与芯片制造商迫被签署不扩散协议。但微控制器极少这样，能被通用烧写器烧写的微控制器世界上很多公司都能提供。即使文件中没有烧写的规格，用低成本的示波器几个小时就可以套出需要的波形。如果微控制器不被特殊通用烧写器所支持，仍然可以通过从制造商购买开发板来获得直接完整的协议。
1、时序攻击(Timing attacks)
一些与安全相关的操作，使用输入的值和密钥，由半导体芯片执行不同的时间来比较。小心的时序测量和分析就能恢复出密钥。这个方法最早在1996年的文献上提到。稍后这种攻击成功破解了实际的RSA签名的智能卡。
为了攻击成功，需要收集装置的信息，与处理时间整合比较，如问答延迟(question-answerdelay)。很多密码算法容易受到时序攻击，主要原因是软件来执行算法。包括执行适时跳过需要的分支和操作条件 ; 使用缓存 ; 不固定时间处理指令如倍频和分频 ; 还有大量的其他原因。结果就是执行能力典型地取决于密钥和输入的数据。
为防止此类攻击可以使用盲签名(Blinding signatures)技术。这个方法是利用选定的随机数与输入数据混合来防止破解者知道输入数据的数学运算法则。
时序攻击可用于安全保护是基于密码的微控制器，或使用确定数字的卡或密码来进行访问控制的系统，如达拉斯的iButton产品。这些系统中共有的风险是输入的连续数字在数据库进行再次校验。系统需经常检查输入到数据库的密钥的每个字节，一旦发现不正确的字节就会立即停止，然后切换到下一个直到最后一个。所以破解者很容易测量出输入最后一个密钥倒请求另一个的时间，并得出发现的密钥相似度。尝试相对小的数字，有可能找到匹配的密钥。 为防止这些攻击，设计者需要小心计算处理器的周期。当密码进行比较时确保正确和错误的时间是一样的，例如：飞思卡尔的68HC08微控制器的内部存储器载入模块在输入正确的八字节密码后可以访问内部闪存。为达到正确和错误的密码都处理相同的时间，程序中增加了额外的空操作指令。这对时序攻击提供了很好的保护。一些微控制器有内部阻容振荡器，那样处理器的工作频率与电压和芯片的温度相关。这使得时序分析很困难，攻击时需要稳定元器件的温度并减少电源线上的噪声和电压波动。一些智能卡有内部随机时钟信号使得攻击时测量时间延迟无效。
2、穷举攻击(也称暴力攻击Bruteforce attacks)
暴力对于半导体硬件和密码来说是另一种意思。对于密码，暴力攻击是对系统尝试数量众多的密钥。通常是使用高速计算机来寻找匹配的密钥。
一个例子是微控制器中的密码保护设置。以TI的MSP430为例，密码本身长度为32字节(256位)，抵挡暴力攻击已经足够了。但密码分配在与处理器中断矢量相同的存储器地址。那么，首先减少存储器内矢量一直指向的区域。然后当软件被更新时，只有小部分的密码被修改，因为大部分中断子程序指向的矢量是相同的地址。结果是，如果破解者知道早前密码中的一个，就很容易做系统的搜索，在合理的时间内找到正确的密码。
暴力攻击也可用在ASIC或CPLD的硬件设计来实现。这种情况下，破解者使用所有可能的逻辑组合到元器件可能的输入端并观察所有输出。这种方法也称为黑箱分析(Black-box analysis)，因为破解者不知道被测试元器件的情况。通过所有可能的信号组合，尝试获得元器件的功能。这种方法对相对小的逻辑器件很有效。另一个问题是破解者使用的ASIC或CPLD有触发器，故输出将可能是当前状态或输入的状态。但如果预先检查并分析信号，搜索的范围可以显著减少。例如，时钟输入，数据总线和一些控制信号是很容易认出的。
另一种可能的暴力攻击，对很多半导体芯片有效，是将外部高压信号(通常是两倍于电源电压)加到芯片引脚上，来试图进入工厂测试或编程模式。事实上，这些引脚用数字万用表很容易发现，因为它们没有保护二极管到电源脚。一旦发现对高压敏感的引脚，破解者就可以尝试可能的逻辑信号组合来加到别的引脚上，找出用于进入工厂测试或编程模式的部分。
破解者也可用元器件的通信协议来找出设计者嵌入在软件中的测试和更新用得隐藏功能。
芯片制造商经常提供给后期测试用得嵌入硬件测试接口。如果这些接口的安全保护没有适当设计，破解者很容易利用它来读写片上存储器。在智能卡中，这些测试接口通常位于芯片电路之外，并在测试后从物理上除去。
任何安全系统，不管软件和硬件，在设计上都可能有缺陷，对于破解者来说都是机会，暴力攻击有可能找到它。小心设计安全保护系统，进行适当的评估，可以避免很多问题，并使得这些攻击事实上不可行。
3、功耗分析(Power analysis)
一个运算设备的功耗取决于它当前的状态。依照CMOS晶体管的原理，各部分动态时的功耗比静态的要大。当输入电压加到反向器上，会引起一个晶体管短路，这个晶体管电流的增加比静态消耗的寄生漏电要大得多。在电源线上加个10-20欧的电阻，就可以测量电流的波动。为达到更好的效果，需要使用至少12位精度和50MHz采样速度的模数转换器。这些获得的参数可以用来区别处理器的不同指令并估计总线上同时翻转的位数。
通过平均多次重复同样操作的电流，即使是没有通过总线的很小信号也能区别开。有些信号如移位状态特别有用，因为很多密码的密钥产生算法使用移位操作来逐一移出单个密钥倒进位标志。即使状态位的变化不能直接测量，它们通常会改变指令次序或微码的执行，这会导致功耗的明显变化。
不同指令导致不同级别的指令解码和运算单元的活动，可被清晰地区别开，故运算部分能被推测出。处理器的不同单元在时钟沿相关的不同时间里有独有的开关状态，能被高频仪器分离出来。
有多种不同的功耗分析技术用在破解密码算法上。整个分析过程是相对简单的，只需要标准的现有的廉价仪器设备。
功耗分析技术主要有两种：简单功耗分析(SPA:Simple PowerAnalysis)和差分功耗分析(DPA ifference Power Analysis)。SPA是在密码或别的安全相关操作时直接观察功耗，可以得知设备运行时的信息如密钥资料。如果破解者知道密码算法，很容易通过观察处理器指令次序，特别是移位条件转移，找到一些位的信息。如果算法或逻辑运算的结果很容易被看出，如进位状态，零或负标志，就可以获得更多的信息。DPA是种更有效的技术，因为破解者不需要知道密码算法是如何执行的。它使用静态分析和已知密码运算的大量功耗迹线来获取隐藏信息。用统计方法鉴别功耗的微小区别，可用来恢复密钥中的单个的位信息。
功耗特性当然包括噪声部分。额外的噪声可以通过减少获取信号的探针长度并小心使用测量仪器来降低它。测量接在地线上的电阻的功耗有一些优势。首先，减少了噪声电平。其次，可以用示波器的探头直接测量信号，因为大部分探针站有公共的地线与外部电源地相连。为了增加信噪比，可以通过提高平均采样数来获得。
有源探头能降低输入电容，增加对输入信号的带宽。一种方法是用高速低噪声的运放来构建相对简单的探头，另一种是用很短的同轴电缆直连到示波器的输入端。在这些情况下，探头的输入电容显著减少。
我们对现有的功耗分析步骤进行了改进。这是一种新的方法，尚未有类似的。我们用铁芯变压器来取代连到电源或地的电阻，那样波形就有点不一样，因为信号的直流成分丢失了，同时又有些有利条件。常用的方法对直流电流几乎没有什么限制。但对于10欧电阻来讲100mA的电流意味着有1V的电压降，那可能中断微控制器的正常操作。减少这个电阻可以解决这个问题，但会使得难以识别功耗的微小变动。使用变压器后，不需要使用昂贵的有源探头，标准的无源探头就可以给出几乎相同的结果。如果信号太小，调节二次侧的线圈就可以增加振幅。变压器也担当无源滤波器的角色，如波形，同样的处理器指令对电阻和变压器所测量到的波形有不同的影响。那可以通过对获得的信号进行处理。为了攻击获得成功，需要采集数千的样本，然后快速分析处理所展现的秘密。
最近，芯片设计上已考虑这种攻击，并将使得这种攻击方法更难获得成功。
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。最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。处理器的最大可用时钟频率取决于该电路的最大延迟。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最简单的，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，复位后目标指令在第一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。但同时会清除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。最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，查看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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发表于 2019-9-29 11:10:37
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