硬件设备安全攻防实战

《硬件设备安全攻防实战》以动手实验的方式，演示了对嵌入式硬件设备进行攻击的方式、原理和攻击细节。本书分为14章，主要内容包括嵌入式安全简介、硬件外围设备接口、识别组件和收集信息、引入故障注入、如何注入故障、故障注入实验室、Trezor One钱包内存转储、功率分析简介、简单功率分析、基础差分功率分析、高级功率分析、高级差分功率分析、现实工作中的例子，并讨论了防御对策、认证和完美防御。 《硬件设备安全攻防实战》适合硬件开发人员、硬件安全研究人员以及准备加入硬件安全行业的新人阅读。

Colin O’Flynn，经营着NewAE Technology公司。该公司是一家初创企业，主要设计用于教授嵌入式安全知识的工具和设备。他在攻读博士学位期间启动了开源的ChipWhisperer项目，此前他是达尔豪斯大学的助理教授，负责教授嵌入式系统和安全课程。他住在加拿大哈利法克斯，而且他的爱犬佩戴了很多由NewAE Technology公司开发的产品。 Jasper van Woudenberg，Riscure North America公司的CTO，广泛且深度参与了嵌入式设备安全的多个主题—从查找并修复在数亿台设备上运行的代码中的错误，到使用符号执行从有故障的密码系统中提取密钥，再到使用语音识别算法进行侧信道跟踪处理。Jaspers居住在美国加利福尼亚州，喜欢骑行、登山和滑雪。 译者简介 李海粟，毕业于重庆邮电大学微电子科学与工程专业，曾多次参加GeekPwn、天府杯等信息安全大赛；拥有多个CAVD、CNVD漏洞编号，持有多项信息安全发明专利，并多次收到“漏洞发现”致谢信；主要研究方向为嵌入式安全和无线电安全，在物联网和工业设备的信息安全攻击、防御、认证、合规、调查取证方面具有丰富的工作经验。

第 1章 牙科卫生：嵌入式安全简介 1 1.1 硬件组件 1 1.2 软件组件 3 1.2.1 初始引导代码 3 1.2.2 引导加载程序 4 1.2.3 可信执行环境操作系统和可信应用程序 4 1.2.4 固件映像 5 1.2.5 主操作系统内核和应用程序 5 1.3 硬件威胁建模 5 1.3.1 什么是安全 6 1.3.2 攻击树 8 1.4 剖析攻击者 8 1.5 攻击类型 10 1.5.1 针对硬件的软件攻击 10 1.5.2 PCB级攻击 12 1.5.3 逻辑攻击 13 1.5.4 非入侵攻击 14 1.5.5 芯片入侵攻击 14 1.6 资产和安全目标 17 1.6.1 二进制代码的机密性和完整性 18 1.6.2 密钥的机密性和完整性 18 1.6.3 远程引导证明 19 1.6.4 个人可识别信息的保密性和完整性 20 1.6.5 传感器数据完整性和机密性 20 1.6.6 内容机密性保护 20 1.6.7 安全性和故障容忍性 21 1.7 对策 21 1.7.1 保护 21 1.7.2 检测 22 1.7.3 响应 22 1.8 攻击树示例 22 1.8.1 识别与利用 25 1.8.2 可扩展性 25 1.8.3 分析攻击树 25 1.8.4 对硬件攻击路径进行评分 25 1.9 披露安全问题 27 1.10 总结 28 第 2章 伸出手，触摸我，触摸你：硬件外围设备接口 29 2.1 电子基础知识 29 2.1.1 电压 30 2.1.2 电流 30 2.1.3 电阻 30 2.1.4 欧姆定律 30 2.1.5 交流/直流 31 2.1.6 电阻 31 2.1.7 功率 32 2.2 数字通信逻辑协议 32 2.2.1 逻辑电平 33 2.2.2 高阻抗、上拉和下拉 34 2.2.3 推挽vs.三态vs.集电极开路或漏极开路 35 2.2.4 异步vs.同步vs.嵌入式时钟 36 2.2.5 差分信号 37 2.3 低速串行接口 38 2.3.1 通用异步接收发送设备串行 38 2.3.2 串行外围接口 40 2.3.3 内部IC接口 42 2.3.4 安全数字输入/输出和嵌入式多媒体卡 45 2.3.5 CAN总线 46 2.3.6 JTAG和其他调试接口 47 2.4 并行接口 50 2.5 高速串行接口 52 2.5.1 通用串行总线 52 2.5.2 PCI Express 54 2.5.3 以太网 54 2.6 测量 54 2.6.1 万用表：伏特 55 2.6.2 万用表：连通性 55 2.6.3 数字示波器 55 2.6.4 逻辑分析仪 59 2.7 总结 59 第3章 接头套管：识别组件和收集信息 60 3.1 信息收集 60 3.1.1 联邦通信委员会备案 61 3.1.2 专利 62 3.1.3 数据手册和原理图 64 3.1.4 信息搜索示例：USB armory设备 65 3.2 拆解示例 71 3.2.1 识别电路板上的IC 71 3.2.2 小型引线封装：SOIC、SOP和QFP 73 3.2.3 无引线的封装：SO和QFN 74 3.2.4 球栅格阵列 75 3.2.5 芯片级封装 77 3.2.6 DIP、通孔和其他 77 3.3 PCB上的IC封装示例 78 3.4 映射PCB 83 3.5 从固件中提取信息 88 3.5.1 获取固件映像 88 3.5.2 分析固件映像 90 3.6 总结 96 第4章 瓷器店里的公牛：引入故障注入 97 4.1 故障安全机制 98 4.1.1 规避固件签名验证 98 4.1.2 获得对锁定功能的访问权限 98 4.1.3 恢复加密密钥 99 4.2 OpenSSH故障注入练习 99 4.2.1 将故障注入C代码 99 4.2.2 将故障注入机器代码 101 4.3 故障注入器 102 4.3.1 目标设备和故障目标 103 4.3.2 故障注入工具 103 4.3.3 目标准备和控制 104 4.4 故障查找方法 108 4.4.1 发现故障原语 108 4.4.2 搜索有效故障 111 4.4.3 搜索策略 117 4.4.4 分析结果 119 4.5 总结 121 第5章 不要舔探头：如何注入故障 122 5.1 时钟故障攻击 122 5.1.1 亚稳态 126 5.1.2 故障敏感性分析 128 5.1.3 局限性 129 5.1.4 所需硬件 129 5.1.5 时钟故障注入参数 131 5.2 电压故障注入 132 5.2.1 产生电压故障 132 5.2.2 构建基于多路复用器的注入器 133 5.2.3 短接攻击 136 5.2.4 使用短接器攻击树莓派 137 5.2.5 电压故障注入参数搜索 142 5.3 电磁故障注入攻击 142 5.3.1 产生电磁故障 144 5.3.2 电磁故障注入的架构 144 5.3.3 EMFI脉冲形状和宽度 146 5.3.4 电磁故障注入的搜索参数 147 5.4 光学故障注入 147 5.4.1 芯片准备 148 5.4.2 正面和背面攻击 149 5.4.3 激光源 150 5.4.4 光学故障注入设置 151 5.4.5 光学故障可配置注入参数 152 5.5 基底偏置注入 152 5.6 硬件故障的触发 154 5.7 总结 156 第6章 测试时间：故障注入实验室 157 6.1 第 一个例子：简单的循环 158 6.2 第二个例子：注入有用的故障 161 6.2.1 使用短接电路故障来攻击配置字段 161 6.2.2 多路复用故障注入 174 6.3 第三个例子：差分故障分析 179 6.3.1 一点RSA数学知识 179 6.3.2 从目标获取正确的签名 182 6.4 总结 185 第7章 X标记现场：Trezor One钱包内存转储 186 7.1 攻击介绍 186 7.2 Trezor One钱包内部细节 187 7.3 USB读取请求故障 188 7.4 反汇编代码 190 7.5 构建固件，进行故障注入攻击 191 7.6 USB触发和时序 194 7.7 实践案例 197 7.7.1 设置 197 7.7.2 查看故障注入代码 198 7.7.3 运行代码 201 7.7.4 确认转储 202 7.7.5 微调EM脉冲 203 7.7.6 基于USB消息的时序调整 203 7.8 总结 204 第8章 我有力量：功率分析简介 206 8.1 定时攻击 207 8.1.1 硬盘驱动器定时攻击 209 8.1.2 定时攻击的功率测量 212 8.2 简单功率分析 212 8.2.1 在RSA上应用SPA 213 8.2.2 将SPA应用于RSA和Redux 215 8.2.3 ECDSA上的SPA 217 8.3 总结 222 第9章 测试时间：简单功率分析 223 9.1 家庭实验室 223 9.1.1 构建基本硬件设置 223 9.1.2 购买设备 227 9.1.3 准备目标代码 227 9.1.4 构建安装程序 229 9.2 整合：SPA攻击 231 9.2.1 准备目标 231 9.2.2 准备示波器 232 9.2.3 信号的分析 234 9.2.4 编写通信和分析脚本 234 9.2.5 编写攻击脚本 237 9.3 ChipWhisperer-Nano示例 240 9.3.1 构建和加载固件 240 9.3.2 通信分析 240 9.3.3 捕获轨迹 241 9.3.4 从轨迹到攻击 243 9.4 总结 246 第 10章 追踪差异：基础差分功率分析 247 10.1 微控制器内部 248 10.1.1 改变电容器上的电压 248 10.1.2 从电源到数据再到电源 250 10.2 直观的异或运算示例 251 10.3 差分功率分析攻击 253 10.3.1 使用泄露假设预测功率 253 10.3.2 Python中的DPA攻击 256 10.4 了解你的敌人：高级加密标准速成课程 260 10.5 相关功率分析攻击 262 10.5.1 相关系数 263 10.5.2 使用CPA攻击AES-128 267 10.5.3 与目标设备通信 271 10.5.4 示波器捕获速率 272 10.6 总结 272 第 11章 更加极客：高级功率分析 273 11.1 主要障碍 274 11.2 衡量成功 276 11.2.1 基于成功率的度量 276 11.2.2 基于熵的度量 277 11.2.3 相关峰值进度 278 11.2.4 相关峰值高度 279 11.3 真实设备上的测量 280 11.3.1 设备操作 280 11.3.2 测量探头 282 11.3.3 确定敏感网络 285 11.3.4 自动探头扫描 285 11.3.5 示波器设置 286 11.4 轨迹集分析与处理 289 11.4.1 分析技术 290 11.4.2 信号处理 299 11.4.3 使用卷积神经网络的深度学习 302 11.5 总结 304 第 12章 测试时间：高级差分功率分析 305 12.1 引导加载程序简介 305 12.1.1 引导加载程序通信协议 306 12.1.2 AES-256 CBC的详细信息 307 12.1.3 攻击AES-256 307 12.2 获取和构建引导加载程序代码 309 12.3 运行目标并捕获轨迹 309 12.3.1 计算CRC 310 12.3.2 与引导加载程序通信 310 12.3.3 捕获概览轨迹 310 12.3.4 捕获详细轨迹 312 12.4 分析 312 12.4.1 第 14轮密钥 313 12.4.2 第 13轮密钥 314 12.5 恢复初始向量 317 12.5.1 要捕获的内容 317 12.5.2 获取第 一条轨迹 318 12.5.3 获取剩余轨迹 319 12.5.4 分析 319 12.6 攻击签名 323 12.6.1 攻击理论 323 12.6.2 功率分析轨迹 323 12.6.3 分析 324 12.6.4 所有4字节 325 12.7 分析引导加载程序源代码 325 12.8 总结 328 第 13章 不是玩笑：现实工作中的例子 330 13.1 故障注入攻击 330 13.1.1 PlayStation 3虚拟机管理程序 330 13.1.2 Xbox 360游戏机 333 13.2 功率分析攻击 335 13.3 总结 340 第 14章 重新思考：防御对策、认证和完美防御 343 14.1 防御对策 344 14.1.1 实施防御对策 344 14.1.2 验证防御对策 357 14.2 行业认证 359 14.3 变得更好 362 14.4 总结 362