【技術(shù)干貨】針對M2351系列故障注入攻擊的軟件防護(hù)措施

微控制器產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初，就會設(shè)定相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格以規(guī)范產(chǎn)品的執(zhí)行條件，確保產(chǎn)品可以完成默認(rèn)的任務(wù)。然而，若執(zhí)行條件可不完全依照產(chǎn)品規(guī)格的情況下，就有可能會讓系統(tǒng)無法如預(yù)期的方式運(yùn)作，這樣的特性，經(jīng)常被惡意攻擊者，運(yùn)用做為尋找系統(tǒng)漏洞的工具，藉此繞過預(yù)設(shè)的安全機(jī)制或取得受保護(hù)的資料。這方法之所以被攻擊者經(jīng)常使用，其根本原因不外乎相關(guān)攻擊設(shè)備簡單、容易取得且成本低廉，并且其攻擊具有一定的效果。本篇文章將介紹常見的故障注入攻擊方式及其原理，并提出在不增加硬件成本下最有效益的軟件防護(hù)方法，來防護(hù)這些攻擊。

當(dāng)產(chǎn)品的執(zhí)行條件，超出了原本預(yù)設(shè)的規(guī)范，將使產(chǎn)品的運(yùn)行出錯，如果能夠限縮這樣的執(zhí)行條件出現(xiàn)在特定的時(shí)間，且只持續(xù)一段極短的時(shí)間，便足以能夠讓產(chǎn)品在執(zhí)行特定指令的時(shí)候出錯，而其它指令又能夠正常的執(zhí)行。也就是說，透過 Fault Injection，可以讓特定指令的執(zhí)行失效，例如讓加密硬件系統(tǒng)錯誤的執(zhí)行讀取密鑰的任務(wù)，使其加載空白密鑰 (zero key) 來加密數(shù)據(jù)，如此一來只要再使用空白密鑰，就能將密文還原成明文。

Figure 1. Skip Instruction Attack

Figure 2. Zero Key Attack

Fault Injection 攻擊手段通?？蓞^(qū)分為侵入式攻擊和非侵入式攻擊。

侵入式攻擊所影響的是產(chǎn)品功能永久性的故障和異常，這手段通常是透過高精密的儀器對產(chǎn)品內(nèi)部電路或數(shù)據(jù)做修改和破壞，因此所需的硬件成本和技術(shù)門坎都很高。

非侵入式攻擊則是在產(chǎn)品運(yùn)行中，注入攻擊，使其短暫的影響產(chǎn)品當(dāng)下運(yùn)作行為，造成異?；蚬δ芄收希@類攻擊手段常見的方式為攻擊產(chǎn)品輸入電壓和頻率。因?yàn)檫@樣的攻擊是針對電壓及頻率且持續(xù)時(shí)間短暫，我們稱之為 Voltage Glitch 攻擊與 Clock Glitch 攻擊。這兩種攻擊方式，只需具備可以產(chǎn)生對 voltage 和 clock 訊號干擾的硬設(shè)備即可達(dá)成，因此實(shí)現(xiàn)所需成本比侵入式攻擊低上許多，也更容易取得和實(shí)現(xiàn)。

Figure 3. Voltage Glitch Attack

因?yàn)?Voltage Glitch 和 Clock Glitch 的攻擊都可以造成產(chǎn)品執(zhí)行時(shí)，跳過某些指令或是影響某些操作的輸出結(jié)果， 本章節(jié)接下來將以 Voltage Glitch 攻擊范例來說明常見的 Fault Injection 影響。

在具備 TrustZone® 技術(shù)的微控制器產(chǎn)品中，都會具有 Secure Attribution Unit (SAU) 控制單元，用來將微控制器的所有資源，設(shè)置為 Secure 和Non-secure 區(qū)域，目的是為了透過隔離 Secure與 Non-secure 區(qū)域的方式，來保護(hù) Secure 區(qū)域中的資源。

在針對 TrustZone® 技術(shù)的攻擊中，攻擊者會企圖透過讓 SAU 的設(shè)置無效化，來瓦解這樣的隔離保護(hù)機(jī)制，此攻擊主要是在系統(tǒng)程序配置 SAU 屬性時(shí)進(jìn)行 Voltage Glitch 的攻擊， 讓系統(tǒng)執(zhí)行指令出現(xiàn)錯誤，造成 SAU 配置和系統(tǒng)原先規(guī)劃的不一致，以期在這當(dāng)中尋找到可利用的漏洞。

我們以試圖攻擊 M2351 微控制器在配置 SAU 過程中設(shè)定 Non-secure 區(qū)域?yàn)槔?，整個(gè) M2351 的 Flash 內(nèi)存大小為 512 KB，如果規(guī)劃其中的 Secure 空間大小為 256 KB，那么剩下的 256 KB 空間，就屬于 Non-secure ，其在內(nèi)存空間中的地址如下圖:

Figure 4. TrustZone® Secure， Non-secure Partition。

在這樣的內(nèi)存配置下， Secure代碼與Non-secure代碼被遠(yuǎn)遠(yuǎn)的區(qū)隔開來，實(shí)現(xiàn)了TrustZone®的硬件隔離，而想要進(jìn)行這樣的隔離配置，實(shí)際上所需要的設(shè)置有三個(gè)部分，一個(gè)是SAU的配置設(shè)定，一個(gè)是Flash Non-secure Boundary的設(shè)定，最后則是編譯代碼需要的設(shè)置。

SAU的配置，主要在指定Non-secure區(qū)域的起始地址與結(jié)束地址，這里設(shè)定的范圍是由0x10040000到0x1007FFFF，至于其它未定義的區(qū)域，則默認(rèn)為Secure區(qū)域。

Flash Non-secure Boundary的設(shè)定，是指Flash內(nèi)存空間中，由哪里開始要劃分給Non-secure使用，在這里其設(shè)定為0x40000，表示Flash后面的256KB，將劃歸給Non-secure使用，其余則是給Secure使用。Flash Non-secure Boundary的設(shè)定，是一出廠就設(shè)置好的，不會再改動 。

由Figure3可知，Secure區(qū)域跟Non-secure區(qū)域是分開的，因此在編譯時(shí)，Secure代碼與Non-secure 代碼的RO Base就必定不同，也就是Secure的RO Base必須落在0x0到0x3FFFF的范圍，而Non-secure的RO Base則是要落在0x10040000到0x1007FFFF的范圍內(nèi)，這里我們設(shè)定Secure RO Base為0x0，Non-secure RO base為0x10040000。

上述的三種設(shè)置，其中只有SAU的設(shè)置，會在系統(tǒng)運(yùn)作中進(jìn)行，因而有機(jī)會被Voltage Glitch攻擊，如果系統(tǒng)在寫入SAU區(qū)域設(shè)置時(shí)，遭到攻擊，就有可能造成指令執(zhí)行失敗，因而使得SAU的設(shè)置不正確，也就是設(shè)置 SAU Non-secure Region的起始地址 0x10040000這行指令執(zhí)行失敗，這將造成SAU Non-secure Region的實(shí)際設(shè)定為 0x0，則系統(tǒng)的內(nèi)存規(guī)劃將變成如下圖所示:

Figure 5. Secure, Non-secure Partition after Attack SAU Setting.

注意在Non-secure Region起始地址被竄改成0x0的情況下，0x0至0x0003_FFFF內(nèi)存的屬性并不會真的被改成Non-secure，這是因?yàn)榱硪粋€(gè)固定的屬性設(shè)置單元Implementation Defined Attribution Unit (IDAU)所造成的影響，在SAU于0x0到0x0003_FFFF設(shè)置為Non-secure的情況下，最終的0x0到0x0003_FFFF的屬性將依照較嚴(yán)格的IDAU設(shè)置，這表示，即使成功的攻擊SAU，讓Non-secure 起始地址設(shè)定為0x0，仍然無法讓原來的Secure 區(qū)域改變?yōu)镹on-secure區(qū)域，而是變成IDAU設(shè)置的Non-secure callable 區(qū)域，而Non-secure callable區(qū)域，其本質(zhì)上仍是屬于Secure區(qū)域的一部分。

另外，雖然成功的攻擊SAU后，會讓大部分的Secure區(qū)域，轉(zhuǎn)變?yōu)镹on-secure callable區(qū)域，但是因?yàn)檫@些區(qū)域缺乏SG (Secure Gateway)指令的緣故，Non-secure code是無法任意用Non-secure callable方式呼叫這區(qū)域的指令的。

值得注意的是，M2351微控制器SAU最多總共有8個(gè)區(qū)域可以設(shè)定， 可是這8個(gè)區(qū)域的范圍，是不允許重迭的，重迭區(qū)域的設(shè)定，將導(dǎo)致該重迭區(qū)域強(qiáng)制為Secure屬性，也就是說，若是原來的設(shè)定中，本來就有劃定0x3F000至0x3FFFF為Non-secure callable區(qū)域，而因?yàn)榇藚^(qū)域跟被攻擊后的SAU區(qū)域0x0到0x1007FFFF重迭了，將使得0x3F000至0x3FFFF這個(gè)區(qū)域的設(shè)定直接成為Secure區(qū)域，這將造成所有的Non-secure callable API無法被Non-secure code呼叫。

因此，單純的攻擊SAU設(shè)置，并無法為Non-secure code取得額外的權(quán)限，甚至?xí)ピ究梢院艚蠳on-secure callable API權(quán)限，所以即使成功的攻擊了SAU的設(shè)置，也并無法形成一個(gè)有效的攻擊，不會有任何Secure區(qū)域信息的泄漏或被Non-secure code取得任何的Secure權(quán)限。

此攻擊方式主要是在代碼執(zhí)行AES加密相關(guān)處理時(shí)，使用Voltage Glitch攻擊其運(yùn)作，使其產(chǎn)生錯誤的密文。執(zhí)行AES加密的基本流程如下圖所示， 最終會產(chǎn)生密文 : 

Figure 6. AES Encrypt Procedure.

例如在輸入 AES Key操作時(shí)被Voltage Glitch攻擊，可能出現(xiàn)輸入密鑰的動作被忽略或是輸入錯誤的密鑰值。如果是輸入密鑰的動作因?yàn)楣舳鴽]有實(shí)際上的密鑰值輸入，那么接下來的加密過程，就會直接使用其緩存器內(nèi)原來的值，通常這會是一組全部為0的密鑰值，所以對于最后加密過后的秘文，只要使用全0的密鑰來解密，就可以還原出正確的原文了。

Figure 7. Zero Key Fault Injection Attack.

另一種狀況是在原文已知道情況下，攻擊者利用Voltage Glitch造成輸入錯誤的密鑰，然后加密過后，得到對應(yīng)的密文，以此重復(fù)多次，攻擊者就可以根據(jù)原文、正確密鑰加密后的密文、各種錯誤密鑰加密后的密文，經(jīng)過Differential Fault Analysis (DFA) 差分故障分析方法，就可以還原出正確的密鑰。

Figure 8. Use Fault Injection to get N Encrypted Text for DFA.

由上述幾個(gè)采用Voltage Glitch攻擊的例子可以發(fā)現(xiàn)，攻擊者需要在正確的時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)行Fault Injection攻擊，才有一些機(jī)會得到其想要達(dá)成的目的，因此讓攻擊者無法輕易的了解系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)作的時(shí)序，將會是一個(gè)有效的防護(hù)，最簡單的方法就是建立不可預(yù)測的系統(tǒng)時(shí)序和處理流程， 讓攻擊者不容易找到合適的攻擊時(shí)間點(diǎn)，也不容易持續(xù)攻擊到同一個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行點(diǎn)，而這可以透過隨機(jī)延遲和隨機(jī)變化處理流程的順序來實(shí)現(xiàn)。

Figure 9. Add Random Delay

Figure 10. Change Execution Procedure Randomly

但是只要無法擋住攻擊的來源，攻擊者總會達(dá)成他們所要的攻擊目的。如果軟件可以偵測到系統(tǒng)可能被攻擊， 則可透過對應(yīng)的處里程序?qū)⒐魮p害程度降到最低。

本章節(jié)將依據(jù)前一章節(jié)提到的故障攻擊范例來說明軟件解決方案， 并實(shí)現(xiàn)可偵測出系統(tǒng)是否被攻擊以及對應(yīng)的處理。

在先前所舉TrustZone®設(shè)定攻擊的例子中，我們知道攻擊者企圖利用跳過SAU配置指令來影響Secure與Non-secure區(qū)域范圍的設(shè)置，企圖擴(kuò)大Non-secure區(qū)域范圍，藉此取得存取Secure資源的機(jī)會。雖然在之前的描述中提到，因?yàn)镾ecure與Non-secure范圍設(shè)置，除了SAU，還需要搭配IDAU，所以單純的攻擊SAU，并無法取得有效的權(quán)限，但這里我們?nèi)匀粸檫@樣的攻擊提出對應(yīng)的策略，讓攻擊者連SAU的設(shè)置都無法攻擊成功。

這個(gè)防護(hù)最主要原理，是偵測異常的SAU配置，并做復(fù)原SAU配置的處理， 讓針對SAU設(shè)置的攻擊無效化。

首先要偵測出異常的SAU設(shè)置，可針對所有的SAU設(shè)置進(jìn)行冗余檢查。

1. 紀(jì)錄有效的系統(tǒng)SAU設(shè)定值:

   系統(tǒng)SAU設(shè)定值已預(yù)先被定義在partition_M2351.h內(nèi)，需要將這些設(shè)定值預(yù)先記錄下來， 可供后續(xù)步驟的使用。

2. 計(jì)算出有效的系統(tǒng)SAU設(shè)定值總和 :

   將有效的SAU相關(guān)設(shè)定例如: RBAR， RLAR和CTRL等設(shè)定值全部加起來做運(yùn)算， 會得到一個(gè)Checksum值。

3. 將有效的SAU設(shè)定值寫入對應(yīng)的SAU region :

   將partition_M2351.h內(nèi)定義有效的SAU設(shè)定值和屬性寫入各自的SAU區(qū)域內(nèi)。

4. 讀出全部有被寫入SAU region的設(shè)定值， 并做加總運(yùn)算

5. 判斷寫入SAU是否正確 :

   在此比對Step 2和Step4計(jì)算出來的總和值是否一致，便可得知在寫SAU設(shè)定值是否因遭到攻擊而產(chǎn)生異常的設(shè)定結(jié)果。

上述步驟Step 1，2，4，5是針對偵測攻擊所加的步驟， 而Step 3則是原來沒有加防護(hù)代碼時(shí)的SAU設(shè)置。如下圖所示，

Figure 11. Fault Injection Countermeasure Flow.

接下來，偵測到錯誤后，必須要讓系統(tǒng)能夠自行回復(fù)，所以需要重復(fù)Step3的步驟再次寫入SAU設(shè)定。

Zero Key攻擊與SAU設(shè)置攻擊類似，都是讓軟件寫入動作失效，也就是讓系統(tǒng)無法寫入正確地密鑰到運(yùn)算單元中，因而使用默認(rèn)的空白數(shù)據(jù)，據(jù)此產(chǎn)生使用 空白密鑰的效果。

對AES加密運(yùn)算的攻擊， 目的是影響密鑰的加載使其加密出錯誤的密文，然后攻擊者透過分析大量不同的錯誤密文和正確密文的關(guān)系， 透過DFA分析方法推導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)使用的加密密鑰后， 再解密密文， 便可得到明文數(shù)據(jù)。

因此AES加密攻擊的防護(hù)重點(diǎn)是讓軟件可以知道AES加密運(yùn)算過中有受到攻擊，避免使用到空白或錯誤的密鑰，并且不能將被攻擊后產(chǎn)生的密文回報(bào)給攻擊者，使其有機(jī)會進(jìn)行DFA分析。

攻擊者再攻擊密鑰的加載前，需要先精確的定位到特定的時(shí)間點(diǎn)，因?yàn)榕渲妹荑€與輸入明文的程序，是可以互換的，軟件可以在這個(gè)部分進(jìn)行隨機(jī)的次序調(diào)換，如此可以增加攻擊者定位密鑰加載時(shí)間點(diǎn)的難度。

Figure 12. Random change the plaintext, Key input procedure.

由于對AES運(yùn)算的攻擊，重點(diǎn)在于使其密鑰的加載出錯，無論是Zero Key或是大量錯誤的Key，所以只要在加載密鑰之后，再針對緩存器中的密鑰做檢查，即可保障密鑰輸入的正確性，而且如果運(yùn)算中有使用到DMA的話，DMA的Source, Destination與Transfer  Count都應(yīng)該也納入檢查。

而加密運(yùn)算使用密鑰時(shí)的攻擊，則可在加密完成后，直接把密文用同一把密鑰解密，并與原來的明文做比對，即可驗(yàn)證在加密過程中是否有任何出錯。

整個(gè)防護(hù)對策流程圖如下:

Figure 13. AES Key Fault Injection Countermeasure Flow.