Podręcznik Hardware Hackera
Urządzenia wbudowane to mikrokomputery wielkości chipa na tyle małe, że można je włączyć w strukturę urządzenia, którym sterują. Znajdują się wszędzie – w telefonach, samochodach, kartach kredytowych, laptopach, sprzęcie medycznym, a nawet w infrastrukturze krytycznej. Oznacza to, że zrozumienie ich działania ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa. Książka Podręcznik hardware hackera zabierze Cię w głąb różnych typów systemów wbudowanych, pokazując projekty, komponenty, ograniczenia bezpieczeństwa i wyzwania związane z inżynierią wsteczną, które musisz znać, aby przeprowadzać skuteczne ataki sprzętowe.
Publikacja została napisana z dowcipem i jest przepełniona praktycznymi eksperymentami laboratoryjnymi. Podczas lektury wczujesz się w rolę napastnika zainteresowanego złamaniem zabezpieczeń w celu czynienia dobra. Rozpoczniesz od szybkiego kursu na temat architektury urządzeń wbudowanych, modelowania zagrożeń i drzew ataków, po czym przejdziesz do odkrywania interfejsów sprzętowych, portów i protokołów komunikacyjnych, sygnalizacji elektrycznej, a na koniec otrzymasz wskazówki dotyczące analizowania obrazów oprogramowania układowego.
Dzięki książce dowiesz się:
• jak modelować zagrożenia bezpieczeństwa, korzystając z profili, zasobów, celów i środków zaradczych atakujących,
• jakie są podstawy elektryczne, które pomogą Ci zrozumieć interfejsy komunikacyjne, sygnalizację i pomiary,
• jak zidentyfikować punkty wstrzykiwania do wykonywania ataków na błędy zegara, napięcia, elektromagnetyczne, laserowe i odchylenia ciała, a także otrzymasz praktyczne wskazówki dotyczące wstrzykiwania,
• jak używać ataków analizy czasu i mocy w celu wyodrębnienia haseł i kluczy kryptograficznych,
• jakie są techniki wyrównywania zarówno prostej, jak i różnicowej analizy mocy.
Niezależnie od tego, czy jesteś specjalistą, którego zadaniem jest zrozumienie tych ataków, studentem rozpoczynającym naukę, czy też hobbystą elektronikiem, ta książka będzie niezbędnym źródłem informacji – takim, które zawsze będziesz chciał mieć pod ręką.
Z przedmowy:
W Podręczniku hardware hackera Jasper i Colin łączą swoje doświadczenia z łamaniem rzeczywistych produktów, aby elegancko przekazać współczesny proces hakowania sprzętu. Dostarczają oni szczegółów dotyczących rzeczywistych ataków, pozwalając śledzić postępy, uczyć się niezbędnych technik i doświadczyć poczucia magii, które towarzyszy udanemu włamaniu. Nie ma znaczenia, czy jesteś nowy w tym obszarze, czy przybywasz z innego miejsca w społeczności hakerskiej, czy też chcesz „podnieść poziom” swoich aktualnych umiejętności związanych z bezpieczeństwem — każdy znajdzie tu coś dla siebie.
Joe Grand aka Kingpin, Technologiczny awanturnik od 1982 roku
PRZEDMOWA xix
PODZIĘKOWANIA xxi
WPROWADZENIE xxiii
Jak wyglądają urządzenia wbudowane xxv
Sposoby hakowania urządzeń wbudowanych xxv
Co oznacza atak sprzętowy? xxvi
Kto powinien przeczytać tę książkę? xxvii
O książce xxvii
Rozdział 1. HIGIENA JAMY USTNEJ. WPROWADZENIE DO ZABEZPIECZEŃ WBUDOWANYCH 1
Komponenty sprzętu 2
Komponenty oprogramowania 5
Początkowy kod rozruchu 5
Program rozruchowy 6
Środowisko zaufanego uruchamiania systemu operacyjnego (TEE)
i zaufane aplikacje 7
Obrazy oprogramowania układowego 7
Główne jądro systemu operacyjnego i aplikacje 8
Modelowanie zagrożeń sprzętowych 8
Czym jest bezpieczeństwo? 9
Drzewo ataków 12
Profilowanie atakujących 12
Typy ataków 14
Ataki programowe na sprzęt 15
Ataki na poziomie PCB 17
Ataki logiczne 19
Ataki nieinwazyjne 21
Ataki inwazyjne na chipy 21
Zasoby i cele bezpieczeństwa 26
Poufność i integralność kodu binarnego 27
Poufność i integralność kluczy 27
Zdalna atestacja rozruchu 28
Poufność i integralność danych osobowych 29
Integralność i poufność danych z sensorów 30
Ochrona poufności treści 30
Odpowiedzialność i odporność 31
Środki zapobiegawcze 31
Chronienie 31
Wykrywanie 32
Odpowiadanie 32
Przykładowe drzewo ataku 32
Identyfi kacja vs. eksploatacja 36
Skalowalność 36
Analizowanie drzewa ataku 36
Ocenianie ścieżek ataków sprzętowych 37
Ujawnianie kwestii związanych z bezpieczeństwem 39
Podsumowanie 41
Rozdział 2. NAWIĄZYWANIE KONTAKTU, POŁĄCZ SIĘ ZE MNĄ, POŁĄCZĘ SIĘ Z TOBĄ. SPRZĘTOWE INTERFEJSY PERYFERYJNE 43
Podstawy elektryki 44
Napięcie 44
Natężenie 45
Rezystancja 45
Prawo Ohma 45
AC/DC 45
Rozbieranie rezystancji 46
Moc 47
Interfejs z użyciem elektryczności 48
Poziomy logiczne 48
Wysoka impedancja, podciąganie i ściąganie 50
Push-pull vs. tristate vs. otwarty kolektor albo otwarty dren 51
Komunikacja asynchroniczna vs. synchroniczna vs. Taktowanie wbudowane 53
Sygnały różnicowe 54
Interfejsy szeregowe o niskiej prędkości 55
Uniwersalna, asynchroniczna komunikacja szeregowa 56
Szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych 58
Interfejs IIC 60
Secure Digital Input/Output oraz Embedded Multimedia Cards 64
Magistrala CAN 66
JTAG i inne interfejsy debugowania 67
Interfejsy równoległe 71
Interfejsy pamięci 72
Szybkie interfejsy szeregowe 73
Uniwersalna Magistrala Szeregowa 74
PCI Express 75
Ethernet 76
Miernictwo 76
Multimetr: napięcie 76
Multimetr: ciągłość 77
Oscyloskop cyfrowy 78
Analizator stanów logicznych 82
Podsumowanie 83
Rozdział 3. OBSERWOWANIE. IDENTYFIKACJA KOMPONENTÓW I ZBIERANIE INFORMACJI 85
Zbieranie informacji 86
Zgłoszenia w Federalnej Komisji Łączności 86
Patenty 89
Karty katalogowe i schematy 92
Przykład wyszukiwania informacji: urządzenie USB Armory 94
Otwieranie obudowy 102
Identyfikowanie układów scalonych na płytce 102
Małe obudowy z wystającymi wyprowadzeniami: SOIC,
SOP i QFP 105
Obudowy bez wystających wyprowadzeń: SO i QFN 107
Ball grid array 108
Chip scale packaging 111
DIP, przewlekane i inne 111
Przykładowe obudowy układów scalonych na PCB 112
Identyfikowanie innych komponentów na płycie 115
Mapowanie PCB 120
Użycie do mapowania skanowania ścieżką krawędziową JTAG 125
Odtwarzanie informacji z oprogramowania układowego 127
Uzyskiwanie obrazu oprogramowania układowego 128
Analizowanie obrazu oprogramowania układowego 130
Podsumowanie 138
Rozdział 4. SŁOŃ W SKLEPIE Z PORCELANĄ. WPROWADZENIE DO WSTRZYKIWANIA BŁĘDÓW 139
Wprowadzanie błędów do mechanizmów bezpieczeństwa 140
Obchodzenie weryfikacji podpisu oprogramowania układowego 141
Uzyskiwanie dostępu do zablokowanej funkcjonalności 142
Odtwarzanie kluczy kryptograficznych 142
Ćwiczenie z wstrzykiwaniem błędów do OpenSSH 143
Wstrzykiwanie błędów do kodu w C 143
Wstrzykiwanie błędów do kodu maszynowego 144
Słoń wstrzykiwania błędów 146
Urządzenie cel oraz rezultat błędu 147
Narzędzia do wstrzykiwania błędów 147
Przygotowanie i kontrola celu 149
Metody wyszukiwania błędów 154
Odkrywanie prymitywów błędów 154
Poszukiwanie skutecznych błędów 158
Strategie poszukiwań 166
Analizowanie rezultatów 169
Podsumowanie 171
Rozdział 5. NIE LIŻ PRÓBNIKA. JAK WSTRZYKIWAĆ BŁĘDY 173
Wstrzykiwanie błędu zegara 174
Metastabilność 178
Analiza wrażliwości na błędy 181
Ograniczenia 181
Wymagany sprzęt 182
Parametry wstrzykiwania błędu zegara 184
Wstrzykiwanie błędu napięcia 185
Generowanie zakłóceń napięcia 186
Budowanie wstrzykiwacza wykorzystującego przełączanie 186
Wstrzykiwanie błędów typu crowbar 191
Atakowanie błędami Raspberry Pi z użyciem crowbara 193
Poszukiwanie parametrów wstrzykiwania błędu napięcia 200
Wstrzykiwanie błędów elektromagnetycznych 200
Generowanie błędów elektromagnetycznych 202
Architektury do wstrzykiwania błędów elektromagnetycznych 204
Kształty i szerokości impulsów EMFI 206
Poszukiwanie parametrów wstrzykiwania błędu elektromagnetycznego 207
Wstrzykiwanie błędów optycznych 208
Przygotowywanie chipa 208
Ataki z przodu i z tyłu 210
Źrodła światła 212
Konfiguracja wstrzykiwania błędów optycznych 213
Konfigurowalne parametry wstrzykiwania błędów optycznych 213
Wstrzykiwanie body biasing 214
Parametry dla wstrzykiwania body biasing 216
Wyzwalanie błędów w sprzęcie 217
Postępowanie z nieprzewidywalnymi czasami celu 218
Podsumowanie 219
Rozdział 6. CZAS NA BADANIA. LABORATORIUM WSTRZYKIWANIA BŁĘDÓW 221
Akt 1: prosta pętla 222
Grillowa zapalniczka bólu 225
Akt 2: wstawianie przydatnych zakłóceń 227
Zakłócenie crowbar powodujące błąd w danych konfiguracyjnych 228
Wstrzykiwanie błędów multipleksacją 244
Akt 3: różnicowa analiza błędów 250
Nieco matematyki dotyczącej RSA 250
Zdobywanie prawidłowego podpisu z celu 254
Podsumowanie 258
Rozdział 7. TO JEST TO MIEJSCE. ZRZUT PAMIĘCI PORTFELA TREZOR ONE 259
Wprowadzenie do ataku 260
Wewnętrzne elementy portfela Trezor One 261
Wprowadzanie błędu do żądania odczytu USB 262
Deasemblacja kodu 264
Budowanie oprogramowania układowego i walidowanie zakłócenia 266
Wyzwalanie i określanie odpowiedniego momentu 270
Zakłócanie przez obudowę 274
Konfigurowanie 274
Przegląd kodu do wstrzykiwania błędów 275
Uruchomienie kodu 278
Potwierdzanie zrzutu 280
Dostrajanie impulsu EM 280
Dostrajanie momentu błędu na podstawie komunikatów USB 281
Podsumowanie 282
Rozdział 8. MAM MOC. WPROWADZENIE DO ANALIZY MOCY 285
Ataki czasowe 287
Atak czasowy na dysk twardy 290
Pomiary mocy dla ataków czasowych 293
Prosta analiza mocy 294
Zastosowanie SPA od RSA 295
Zastosowanie SPA do RSA, ponownie 297
SPA na ECDSA 300
Podsumowanie 306
Rozdział 9. CZAS NA BADANIA. PROSTA ANALIZA MOCY 307
Domowe laboratorium 308
Budowanie podstawowego środowiska sprzętowego 308
Kupowanie narzędzi 312
Przygotowywanie kodu celu 313
Budowanie konfiguracji 315
Zbieranie wszystkiego razem: atak SPA 317
Przygotowanie celu 318
Przygotowanie oscyloskopu 320
Analiza sygnału 321
Oskryptowanie komunikacji i analizy 322
Oskryptowanie ataku 325
Przykład z ChipWhisperer-Nano 328
Budowanie i ładowanie oprogramowania układowego 328
Pierwsze spojrzenie na komunikację 329
Przechwytywanie śladu 330
Od śladu do ataku 331
Podsumowanie 335
Rozdział 10. DZIELENIE RÓŻNIC. RÓŻNICOWA ANALIZA MOCY 337
Wewnątrz mikrokontrolera 338
Zmiana napięcia na kondensatorze 339
Od mocy do danych i na odwrót 341
Przykład seksownych XOR-ów 343
Atak z użyciem różnicowej analizy mocy 345
Przewidywanie poboru mocy na podstawie założenia
dotyczącego wycieków 346
Atak DPA w Pythonie 349
Poznaj swojego wroga: standardowy kurs łamania
zaawansowanego szyfrowania 353
Atakowanie AES-128 z użyciem DPA 355
Korelacja w ataku z analizą mocy 357
Współczynnik korelacji 358
Atakowanie AES-128 z użyciem CPA 362
Komunikacja z urządzeniem celem 368
Szybkość przechwytywania oscyloskopu 368
Podsumowanie 369
Rozdział 11. SKUP SIĘ NA TYM. ZAAWANSOWANA ANALIZA MOCY 371
Główne przeszkody 372
Potężniejsze ataki 374
Mierzenie powodzenia 375
Metryki oparte na wskaźniku powodzenia 375
Metryki oparte na entropii 376
Progresja pików korelacji 378
Wysokość pików korelacji 379
Pomiary na rzeczywistych urządzeniach 380
Działanie urządzenia 380
Sonda pomiarowa 383
Określanie wrażliwych sieci zasilania 387
Automatyczne skanowanie z użyciem sondy 388
Konfiguracja oscyloskopu 389
Analiza i przetwarzanie zbiorów śladów 392
Techniki analizy 393
Techniki przetwarzania 404
Głębokie uczenie z wykorzystaniem splotowych sieci neuronowych 407
Podsumowanie 410
Rozdział 12. CZAS NA BADANIA. RÓŻNICOWA ANALIZA MOCY 413
Środowisko programu rozruchowego 414
Protokół komunikacyjny programu rozruchowego 414
Szczegóły AES-256 CBC 416
Atakowanie AES-256 417
Pozyskanie i budowa kodu programu rozruchowego 418
Uruchamianie celu i przechwytywanie śladów 419
Obliczanie CRC 419
Komunikacja z programem rozruchowym 420
Przechwytywanie ogólnych śladów 421
Przechwytywanie szczegółowych śladów 422
Analiza 423
Klucz rundy 14 423
Klucz rundy 13 424
Odtwarzanie IV 427
Co należy przechwycić 428
Generowanie pierwszego śladu 428
Generowanie reszty śladów 430
Analiza 430
Atakowanie podpisu 434
Teoria ataku 434
Ślady mocy 435
Analiza 435
Wszystkie cztery bajty 437
Podglądanie kodu źródłowego programu rozruchowego 437
Moment sprawdzania podpisu 439
Podsumowanie 440
Rozdział 13. BEZ ŻARTÓW. PRZYKŁADY Z ŻYCIA 443
Ataki z wstrzykiwaniem błędów 443
Nadzorca w PlayStation 3 444
Xbox 360 448
Hakowanie z analizą mocy 451
Hakowanie żarówek Philips Hue 451
Podsumowanie 456
Rozdział 14. POMYŚL O DZIECIACH. ŚRODKI ZAPOBIEGAWCZE, CERTYFIKATY I DALSZE KROKI 461
Środki zapobiegawcze 462
Wdrażanie środków zapobiegawczych 463
Weryfikacja środków zapobiegawczych 481
Certyfikaty branżowe 485
Zwiększanie umiejętności 488
Podsumowanie 489
Dodatek A. CZAS ZAKUPÓW. WYPOSAŻENIE LABORATORIUM TESTOWEGO 491
Sprawdzanie połączeń i napięcia: od $50 do $500 492
Lutowanie precyzyjne: od 50$ do 1500$ 494
Odlutowywanie: od 30$ do 500$ 496
Lutowanie i odlutowywanie elementów montowanych powierzchniowo: od 100$ do 500$ 498
Modyfikowanie PCB: od $5 do $700 502
Mikroskopy optyczne: od $200 do $2,000 503
Fotografowanie płyt: od $50 do $2,000 504
Zasilanie: od $10 do $1 000 505
Podgląd przebiegów analogowych (oscyloskopy): od $300 do $25 000 505
Głębokość pamięci 507
Częstotliwość próbkowania 508
Szerokość pasma 510
Inne parametry 512
Podgląd przebiegów logicznych: od $300 do $8000 512
Wyzwalanie w magistralach szeregowych: od $300 do $8000 514
Dekodowanie protokołów szeregowych: od $50 do $8000 515
Podsłuchiwanie i wyzwalanie magistrali CAN: od $50 do $5000 516
Podsłuchiwanie Ethernetu: $50 517
Interakcja przez JTAG: od $20 do $10,000 517
Ogólny JTAG i skanowanie granic 517
Debugowanie JTAG 518
Komunikacja PCIe: od $100 do $1,000 519
Podsłuchiwanie USB: od $100 do $6,000 520
Wyzwalanie USB: od $250 do $6,000 522
Emulacja USB: $100 523
Połączenia Flash SPI: od $25 do $1000. 523
Pomiary w analizie mocy: od $300 do $50000 524
Wyzwalanie na podstawie przebiegów analogowych: powyżej $3800 528
Mierzenie pól magnetycznych: od $25 do $10,000 528
Wstrzykiwanie błędów zegara: od $100 do $30000 531
Wstrzykiwanie błędów napięcia: od $25 do $30000 532
Wstrzykiwanie błędów elektromagnetycznych: od $100 do $50000 533
Wstrzykiwanie błędów optycznych: od $1000 do $250000 534
Pozycjonowanie sond: od $100 do $50000 535
Urządzenia docelowe: od $10 do $10000 535
Dodatek B. CAŁA TWOJA BAZA NALEŻY DO NAS. POPULARNE UKŁADY PINÓW 539
SPI Flash 539
Konektory 0,1 cala 540
Arm JTAG z 20 pinami 540
PowerPC JTAG z 14 pinami 541
Konektory 0,05 cala 542
Arm Cortex JTAG/SWD 542
Konektor Ember Packet Trace Port 542
INDEKS 545
