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1. 你的芯片安全嗎？

如果大家看過速度與激情這部電影，一定對下面這一幕有深刻的印象：黑客通過遠程控制上千輛的僵尸車輛，去自動攔截搶奪握有核發射密碼的人！然后掌控人類的命運。現實生活中可能沒有電影里這么戲劇化，不過危機卻在我們身邊時刻不停地在上演。

大品牌的電子產品被仿冒造成的損失是不可估量的。同時，將來隨著物聯網，自動駕駛等技術的普及，其核心芯片的安全問題越來越重要，一旦被破解，遭受攻擊，后果難以想象。然而，芯片的安全性確是大多數工程師往往忽略，或者說不太重視的問題。這里我們對芯片如何被破解進行一個簡單的探討，從而大家可以有針對性地采取一些防護手段。

大家知道一個電子產品，硬件電路被復制是幾乎沒有什么難度的，即使打磨掉芯片上的字符。所以最關鍵的是獲得芯片內部存儲的代碼，因為代碼是整個系統運行的靈魂。現在大多數芯片都有加密位，在設置加密位后，通過編程工具是沒有辦法讀出代碼的。但我們不要低估了壞人的邪惡，他們會想盡種種辦法來進行攻擊。從總體上來說可以歸結為兩種方法：侵入式攻擊和非侵入式攻擊。如果用保險箱來比喻，盜取鑰匙打開保險箱可以說是非侵入式攻擊，拿電鋸鋸開保險箱就屬于侵入式攻擊了。

2. 常用的攻擊手段

2.1 部分擦除

加密后的芯片一般允許整體擦除（Mass Erase）。如果在整體擦除芯片時，控制擦除的時間，在剛剛好擦除掉加密位的時候停止（比如掉電），那么芯片就被解密了。

2.2 電壓毛刺（Power Glitch）

攻擊是在芯片電源引腳故意輸入毛刺，使得芯片運行受到影響，使其運行跳過某些指令或發生錯誤的操作，從而使芯片信息泄露。

2.3 欠壓，過壓，時鐘瞬態跳變

利用欠壓，過壓，時鐘的瞬態跳變，使芯片產生異常，影響芯片的正常執行，使保護電路失效。

2.4 時序攻擊（Timing Attack）

代碼在處理不同的數據，或走不同的流程時，時間上是不同的。時序攻擊利用這一特點可以反推密鑰。

2.5 功率分析（SPA： Simple Power Analysis）

芯片在運行不同的指令的時候，消耗的功率是不一樣的。功率分析正是利用種特性，在代碼運行密碼相關運算時，用高分辨率功率測量儀器從外部測量芯片功率的變化，從而提取加密密鑰。

2.6 差分功率分析 DPA（Differential Power Analysis）

在SPA的基礎上，收集已有的密碼運算時的功率變化數據，在多次統計的基礎上進行分析。是比SPA更有效的攻擊。

2.7 硬解密

這是最暴力，最不好防范的攻擊方法。它用溶劑溶解芯片外面的殼體，把芯片暴露出來，然后用高倍顯微鏡和聚焦離子束 FIB（Focused Ion Beam）找到加密位置，把它改變為非加密狀態，然后讀出芯片內容，然后進行解密，反匯編。看了這些攻擊手段，是不是開始出冷汗了呢？別擔心，這只是一部分大家都熟悉的方法，哈哈。不過隨著進攻之矛越來越鋒利，防御之盾也越來越堅固。在講防御辦法前，我們先對相關的加密算法做一個簡單的介紹吧。

3. 流行的加密算法

3.1 哈希算法（Hash）

它的作用是把任意長度的明文，通過單向加密函數，生成固定長度的信息摘要。如果明文發生變化，那么會引起信息摘要的變化。從信息摘要無法反推出明文。常用算法： MD5，SHA-1。

3.2 對稱加密算法（Symmetric Encryption）

用相同的密鑰進行加密和解密。如同一個保險柜，一個人用一把鑰匙把文件鎖進去，另一個人需要用相同的鑰匙打開保險柜，才能看到文件里寫的什么。這種算法的關鍵是密鑰的保存，分發，防止非授權的人獲得密鑰。常用算法： DES， AES，RCx

3.3 非對稱加密算法（Asymmetric Encryption）

所謂非對稱指的是加密方和解密方使用的密鑰不同。如同一個保險柜有兩個門，一個是入口，一個是出口，用入口的鑰匙只可以把明文放進去，用出口的鑰匙可以把明文取出。這種算法帶來的好處是可以把入口的鑰匙公開出來（公鑰），大家都可以用公鑰進行加密，但是除了掌管私鑰的人，其他人是沒有辦法看到保險柜中的內容的。常用算法： RSA，ECC

4. 加密算法的特點和安全性

Hash 主要用于數字簽名。據說最早的應用之一是美蘇互相把地震儀放到對方，監控對方有沒有進行核試驗。雙方對對方都不放心啊，所以用這種算法把數據做數字簽名，大家都能看到數據，而且不能篡改。對稱加密算法運算速度快，一般用來對大量數據加解密。公鑰算法運算速度比較慢，消耗資源多。它常常在開始階段用來分發對稱算法使用的密鑰，之后通訊切換到對稱加解密算法。

理論上所有加密算法都是可以被破解的，只是花費的時間和代價的問題。只有一種加密方法是完全無法破解的，那就是一次一密。加密者和解密者使用相同的密碼本，密鑰是真隨機數，而且長度和明文相等，每一個明文字母用一個密鑰字母加密成密文，密碼本使用一次后既廢棄。據說很多間諜就是用的這種加密方法。

5. 如何保護芯片

假如我們寫了一份機密文件，怎樣才能不被別人得到呢？首先想到的還是保險柜，我們可以把文件鎖進保險柜里，當然保險柜有不同級別，有的還有監控功能，比如發現有人敲擊，挪動，高溫（切割）等就發出報警，或者把文件銷毀。當然越高級的保險柜價格越高。再有就是我們把寫的內容加密，即使間諜拿到了也看不懂。最后為了更保險，我們還可以把文件分為兩份，分別鎖進兩個保險柜里。對于代碼來說，也是類似的。

把代碼放入芯片后設置加密位，使別人無法讀出；或者用芯片的唯一序列號用算法加密后存入特定地址，運行前做比對；或者把代碼（或代碼的一部分）加密后存入外部存儲器，只發送給握有密鑰的主芯片；這就會用到前面我們介紹的幾種算法之一，或幾種的組合。我們可以根據產品的價值來使用不同等級的保護方法。

下面是一些從硬件到軟件需要考慮的地方：

a. 設置加密位。如果芯片支持則設置禁止整體擦除。

b. 下載代碼后把調試口禁止掉。

c. 地址線和數據線打亂。用PAL，GAL，CPLD做映射。

d. 盡量不用代碼里的默認值，代碼空間不留空白區域。如果猜測出一部分明文，將會導致破解變得容易。

e. 在處理密碼或數據時用混入隨機數，插入指令等方法，使功耗變化盡量小，不同分支運行時間差別盡量小。防止時序和功率分析攻擊。

f. 加密盡量用長的密鑰。

g. 在選用 MCU 時，要考慮它是否有足夠強的防破解能力。如 STM32L562的以下特性可以用來提高系統的防御能力：

ARM TrustZone 內核

電壓跌落檢測 Brownout Reset

帶入侵檢測寄存器 Tamper and backup registers （TAMP）