單片機(jī)加密、解密

單片機(jī)（MCU）一般都有內(nèi)部程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)（或者其一）供用戶存放程序和工作數(shù)據(jù)（或者其一）。為了防止未經(jīng)授訪問或拷貝單片機(jī)的機(jī)內(nèi)程序，大部分單片機(jī)都帶有加密鎖定位或者加密字節(jié)，以保護(hù)片內(nèi)程序。

如果在編程時(shí)加密鎖定位被使能（鎖定），就無(wú)法用普通編程器直接讀取單片機(jī)內(nèi)的程序，這就叫單片機(jī)加密。

單片機(jī)程序基本上都存在于Flash中，大部分能夠讀取或者識(shí)別Flash上的數(shù)據(jù)就能夠獲得固件文件，從而給復(fù)制產(chǎn)品帶來(lái)了機(jī)會(huì)。

單片機(jī)攻擊者借助專用設(shè)備或者自制設(shè)備，利用單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)上的漏洞或軟件缺陷，通過多種技術(shù)手段，就可以從芯片中提取關(guān)鍵信息，獲取單片機(jī)內(nèi)程序這就叫單片機(jī)解密。

單片機(jī)解密又叫單片機(jī)破解、芯片解密、IC解密，但是嚴(yán)格說來(lái)這幾種稱呼都不科學(xué)，但已經(jīng)成了習(xí)慣叫法，我們把CPLD解密、DSP解密都習(xí)慣稱為單片機(jī)解密。單片機(jī)只是能裝載程序芯片的其中一個(gè)類。

能燒錄程序并能加密的芯片還有 DSP、CPLD、PLD、AVR、ARM等。當(dāng)然具有存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)器芯片也能加密，比如DS2401、DS2501、AT88S0104、DM2602、AT88SC0104D等，當(dāng)中也有專門設(shè)計(jì)有加密算法用于專業(yè)加密的芯片或設(shè)計(jì)驗(yàn)證廠家代碼工作等功能芯片，該類芯片也能實(shí)現(xiàn)防止電子產(chǎn)品復(fù)制的目的。

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1 軟件攻擊

該技術(shù)通常使用處理器通信接口并利用協(xié)議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來(lái)進(jìn)行攻擊。

比如一個(gè)典型事例是對(duì)早期XXX系列單片機(jī)的攻擊。攻擊者利用了該系列單片機(jī)擦除操作時(shí)序設(shè)計(jì)上的漏洞，使用自編程序在擦除加密鎖定位后，停止下一步擦除片內(nèi)程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的操作，從而使加過密的單片機(jī)變成沒加密的單片機(jī)，然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。

目前在其他加密方法的基礎(chǔ)上，可以研究出一些設(shè)備，配合一定的軟件，來(lái)做軟件解密。

還有比如利用某些編程器定位插字節(jié)，通過一定的方法查找芯片中是否有連續(xù)空位，也就是說查找芯片中連續(xù)的FFFF字節(jié)，插入的字節(jié)能夠執(zhí)行把片內(nèi)的程序送到片外的指令，然后用解密的設(shè)備進(jìn)行截獲，這樣芯片內(nèi)部的程序就被解密完成了。

2 電子探測(cè)攻擊

該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來(lái)監(jiān)控處理器在正常操作時(shí)所有電源和接口連接的模擬特性，并通過監(jiān)控它的電磁輻射特性來(lái)實(shí)施攻擊。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一個(gè)活動(dòng)的電子器件，當(dāng)它執(zhí)行不同的指令時(shí)，對(duì)應(yīng)的電源功率消耗也相應(yīng)變化。這樣通過使用特殊的電子測(cè)量?jī)x器和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析和檢測(cè)這些變化，即可獲取單片機(jī)中的特定關(guān)鍵信息。

3 過錯(cuò)產(chǎn)生技術(shù)

該技術(shù)使用異常工作條件來(lái)使處理器出錯(cuò)，然后提供額外的訪問來(lái)進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過錯(cuò)產(chǎn)生攻擊手段包括電壓沖擊和時(shí)鐘沖擊。

低電壓和高電壓攻擊可用來(lái)禁止保護(hù)電路工作或強(qiáng)制處理器執(zhí)行錯(cuò)誤操作。時(shí)鐘瞬態(tài)跳變也許會(huì)復(fù)位保護(hù)電路而不會(huì)破壞受保護(hù)信息。電源和時(shí)鐘瞬態(tài)跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執(zhí)行。

該辦法就是使得單片機(jī)異常運(yùn)行從而使得單片機(jī)處于非保護(hù)狀態(tài)。

4 探針技術(shù)

該技術(shù)是直接暴露芯片內(nèi)部連線，然后觀察、操控、干擾單片機(jī)以達(dá)到攻擊目的。

如果芯片內(nèi)部都完全暴露了，那么芯片相當(dāng)于在裸奔！

單片機(jī)解密分類 為了方便起見，人們將以上四種攻擊技術(shù)分成兩類，一類是侵入型攻擊（物理攻擊），這類攻擊需要 破壞封裝，然后借助半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備、顯微鏡和微定位器，在專門的實(shí)驗(yàn)室花上幾小時(shí)甚至幾周時(shí)間才能完成。

所有的微探針技術(shù)都屬于侵入型攻擊。另外三種方法屬于非侵入型攻擊，被攻擊的單片機(jī)不會(huì)被物理?yè)p壞。在某些場(chǎng)合非侵入型攻擊是特別危險(xiǎn)的，這是因?yàn)榉乔秩胄凸羲柙O(shè)備通常可以自制和升級(jí)，因此非常廉價(jià)。

大部分非侵入型攻擊需要攻擊者具備良好的處理器知識(shí)和軟件知識(shí)。與之相反，侵入型的探針攻擊則不需要太多的初始知識(shí)，而且通常可用一整套相似的技術(shù)對(duì)付寬范圍的產(chǎn)品。

因此，對(duì)單片機(jī)的攻擊往往從侵入型的反向工程開始，積累的經(jīng)驗(yàn)有助于開發(fā)更加廉價(jià) 和快速的非侵入型攻擊技術(shù)。

侵入式解密過程 侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝（簡(jiǎn)稱“開蓋”有時(shí)候稱“開封”，英文為 “DECAP”，decapsulation）。有兩種方法可以達(dá)到這一目的：第一種是完全溶解掉芯片封裝，暴露金屬連線；第二種是只移掉硅核上面的塑料封裝。

第一種方法需要將芯片綁定到測(cè)試夾具上，借助綁定臺(tái)來(lái)操作。第二種方法除了需要具備攻擊者一定的知識(shí)和必要的技能外，還需要個(gè)人的智慧和耐心，但操作起來(lái)相對(duì)比較方便，完全實(shí)驗(yàn)室中操作。

芯片上面的塑料可以用小刀揭開，芯片周圍的環(huán)氧樹脂可以用濃硝酸腐蝕掉。熱的濃硝酸會(huì)溶解掉芯片封裝而不會(huì)影響芯片及連線。該過程一般在非常干燥的條件下進(jìn)行，因?yàn)樗拇嬖诳赡軙?huì)侵蝕已暴露的鋁線連接 （這就可能造成解密失?。?。

接著在超聲池里先用丙酮清洗該芯片以除去殘余硝酸，并浸泡。

最后一步是尋找保護(hù)熔絲的位置并將保護(hù)熔絲暴露在紫外光下。一般用一臺(tái)放大倍數(shù)至少100倍的顯微鏡，從編程電壓輸入腳的連線跟蹤進(jìn)去，來(lái)尋找保護(hù)熔絲。若沒有顯微鏡，則采用將芯片的不同部分暴露到紫外光下并觀察結(jié)果的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的搜索。

操作時(shí)應(yīng)用不透明的物體覆蓋芯片以保護(hù)程序存儲(chǔ)器不被紫外光擦除。將保護(hù)熔絲暴露在紫外光下５～10分鐘就能破壞掉保護(hù)位的保護(hù)作用，之后，使用簡(jiǎn)單的編程器就 可直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

對(duì)于使用了防護(hù)層來(lái)保護(hù)EEPROM單元的單片機(jī)來(lái)說，使用紫外光復(fù)位保護(hù)電路是不可行的。對(duì)于這種類型的單片機(jī)，一般使用微探針技術(shù)來(lái)讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容。在芯片封裝打開后，將芯片置于顯微鏡下就能夠很容易的找到從存儲(chǔ)器連到電路其它部分的數(shù)據(jù)總線。

由于某種原因，芯片鎖定位在編程模式下并不鎖定對(duì)存儲(chǔ)器的訪問。利用這一缺陷將探針放在數(shù)據(jù)線的上面就能讀到所有想要的數(shù)據(jù)。在編程模式下，重啟讀過程并連接探針到另外的數(shù)據(jù)線上就可以讀出程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的所有信息。

還有一種可能的攻擊手段是借助顯微鏡和激光切割機(jī)等設(shè)備來(lái)尋找保護(hù)熔絲，從而尋查和這部分電路相聯(lián)系的所有信號(hào)線。

由于設(shè)計(jì)有缺陷，因此，只要切斷從保護(hù)熔絲到其它電路的某一根信號(hào)線（或切割掉整個(gè)加密電路）或連接1～3根金線（通常稱 FIB：focused ion beam），就能禁止整個(gè)保護(hù)功能，這樣使用簡(jiǎn)單的編程器就能直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

雖然大多數(shù)普通單片機(jī)都具有熔絲燒斷保護(hù)單片機(jī)內(nèi)代碼的功能，但由于通用低檔的單片機(jī)并非定位于制作安全類產(chǎn)品，因此，它們往往沒有提供有針對(duì)性的防范措施且安全級(jí)別較低。

加上單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，銷售量大，廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁，大量技術(shù)資料外瀉，使得利用該類芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠商的測(cè)試接口，并通過修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來(lái)讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。

對(duì)單片機(jī)加密幾點(diǎn)建議 任何一款單片機(jī)從理論上講，攻擊者均可利用足夠的投資和時(shí)間使用以上方法來(lái)解密。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該始終牢記的基本原則。

因此，作為電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師非常有必要了解當(dāng)前單片機(jī)攻擊的最新技術(shù)，做到知己知彼，心中有數(shù)，才能有效防止自己花費(fèi)大量金錢和時(shí)間辛辛苦苦設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品被人家一夜之間仿冒的事情發(fā)生。

下面是根據(jù)某公司的解密實(shí)踐提出的建議：

在選定加密芯片前，要充分調(diào)研，了解單片機(jī)破解技術(shù)的新進(jìn)展，包括哪些單片機(jī)是已經(jīng)確認(rèn)可以破解的。盡量不選用已可破解或同系列、同型號(hào)的芯片選擇采用新工藝、新結(jié)構(gòu)、上市時(shí)間較短的單片機(jī)。

對(duì)于安全性要求高的項(xiàng)目，盡量不要使用普及程度最高，被研究得也最透的芯片。

產(chǎn)品的原創(chuàng)者，一般具有產(chǎn)量大的特點(diǎn)，所以可選用比較生僻、偏冷門的單片機(jī)來(lái)加大仿冒者采購(gòu)的難度，選用一些生僻的單片機(jī)。

在設(shè)計(jì)成本許可的條件下，應(yīng)選用具有硬件自毀功能的智能卡芯片，以有效對(duì)付物理攻擊；另外程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，加入時(shí)間到計(jì)時(shí)功能，比如使用到1年，自動(dòng)停止所有功能的運(yùn)行，這樣會(huì)增加破解者的成本。

如果條件許可，可采用兩片不同型號(hào)單片機(jī)互為備份，相互驗(yàn)證，從而增加破解成本。

打磨掉芯片型號(hào)等信息或者重新印上其它的型號(hào)，以假亂真。

可以利用單片機(jī)未公開，未被利用的標(biāo)志位或單元，作為軟件標(biāo)志位。

你應(yīng)在程序區(qū)寫上你的大名單位開發(fā)時(shí)間及仿制必究的說法，以備獲得法律保護(hù)；另外寫上你的大名的時(shí)候，可以是隨機(jī)的，也就是說，采用某種算法，外部不同條件下，你的名字不同，比如www.XXXXX.com、www.XXXXX.cn、 www.XXXXX.com.cn等，這樣比較難反匯編修改。

采用高檔的編程器，燒斷內(nèi)部的部分管腳，還可以采用自制的設(shè)備燒斷金線，這個(gè)目前國(guó)內(nèi)幾乎不能解密，即使解密，也需要上萬(wàn)的費(fèi)用，需要多個(gè)母片。

采用保密硅膠（環(huán)氧樹脂灌封膠）封住整個(gè)電路板，PCB上多一些沒有用途的焊盤，在硅膠中還可以摻雜一些沒有用途的元件，同時(shí)把MCU周圍電路的電子元件盡量抹掉型號(hào)。

可以用編程器把空白區(qū)域中的FF改成00，也就是把一些未使用的空間都填充好，這樣一般解密器也就找不到芯片中的空位，也就無(wú)法執(zhí)行以后的解密操作。

當(dāng)然，要想從根本上防止單片機(jī)被解密，那是不可能的，加密技術(shù)不斷發(fā)展，解密技術(shù)也不斷發(fā)展，現(xiàn)在不管哪個(gè)單片機(jī)，只要有人肯出錢去做，基本都可以做出來(lái)，只不過代價(jià)高低和周期長(zhǎng)短的問題，編程者還可以從法律的途徑對(duì)自己的開發(fā)作出保護(hù)，比如專利。

責(zé)任編輯：haq