自從上世紀(jì)七十年代 MCU 誕生以來，芯片的破解技術(shù)與防止芯片被破解方案就在不斷在上演著“道高一尺，魔高一丈”，一山更比一山高的追逐。本文將單片機(jī)在安全保護(hù)方面的發(fā)展歷程與大家分享。并在文章的最后，總結(jié)了現(xiàn)階段安全級(jí)別最高的智能卡芯片的優(yōu)點(diǎn)及其缺點(diǎn)。
一、單板機(jī)時(shí)代
上世紀(jì) 70 年代初期，嵌入式系統(tǒng)是由分離部件如：CPU、ROM、RAM、I/O 緩存、串口和其他通信與控制接口組成的控制板。這一時(shí)期除法律外，幾乎沒有保護(hù)措施來防止侵入者復(fù)制單板機(jī)上 ROM 區(qū)的數(shù)據(jù)。
二、單片機(jī)時(shí)代
隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，中央處理單元（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（ROM）及其他 I/O 通信口都集成在一塊單片機(jī)芯片上了，微控制器 MCU 取代了單板機(jī)。如圖：
這一時(shí)期，內(nèi)部存儲(chǔ)器 EEPROM 和 MCU 是分開封在同一封裝內(nèi)部。侵入者可用微探針來獲取數(shù)據(jù)。
三、安全熔斷絲（Security Fuse）
隨著入侵者的增加，MCU 為了自身的安全，后來增加了安全熔斷絲（Security Fuse）來禁止訪問數(shù)據(jù)。如圖：
優(yōu)點(diǎn)：很容易做到，不需要完全重新設(shè)計(jì) MCU 構(gòu)架，僅用熔斷絲來控制數(shù)據(jù)的訪問。
缺點(diǎn)：熔斷絲容易被定位、攻擊。例如：熔絲的狀態(tài)可以通過直接把位輸出連到電源或地線上來進(jìn)行修改。有些僅用激光或聚焦離子束來切斷熔絲的感應(yīng)電路就可以了。用非侵入式攻擊也一樣成功，因?yàn)橐粋€(gè)分離的熔絲版圖異于正常存儲(chǔ)陣列，可以用組合外部信號(hào)來使位處與不能被正確讀出的狀態(tài)，那樣就可以訪問存在內(nèi)部芯片上信息了。用半侵入式攻擊可以使破解者快速取得成功，但需要打開芯片的封裝來接近晶粒。一個(gè)眾所周知方法就是用紫外線擦掉安全熔斷絲。
四、安全熔絲變成存儲(chǔ)器陣列的一部分
再后來 MCU 制造商將安全熔絲做成存儲(chǔ)器陣列的一部分，如圖：
一般的熔絲與主存儲(chǔ)器離得很近，或干脆共享些控制線，與主存儲(chǔ)器用相同的工藝來制造，熔斷絲很難被定位。非入侵試攻擊仍然可以用，可以用組合外部信號(hào)來使熔斷位處于不被正確讀出的狀態(tài)。同樣，半侵入式攻擊也可用。當(dāng)然破解者需要更多的時(shí)間去尋找安全熔絲或控制電路負(fù)責(zé)安全監(jiān)視的部分，但這些可以自動(dòng)完成。進(jìn)行侵入式攻擊將是很困難需要手工操作，那將花費(fèi)更多的成本來破解。
五、用主存儲(chǔ)器的一部分來控制外部對(duì)數(shù)據(jù)訪問
利用上電時(shí)鎖定特定區(qū)域地址的信息，將它作為安全熔絲。或用密碼來控制對(duì)存儲(chǔ)器訪問。例如德州儀器的 MSP430F112 只有輸入正確的 32 字節(jié)密碼后才能進(jìn)行回讀操作。如果沒輸入，只有擦字節(jié)密碼后才能進(jìn)行回讀操作。盡管這個(gè)保護(hù)方法看上去比先前的更有效，但它有一些缺點(diǎn)可以用低成本的非侵入式攻擊，如時(shí)序分析和功耗來破解。如果安全熔絲狀態(tài)是上電或復(fù)位后存儲(chǔ)器的一部分，這就給破解者用電源噪聲來破解的機(jī)會(huì)，強(qiáng)制路進(jìn)入存儲(chǔ)中錯(cuò)誤狀態(tài)。
六、使用頂層金屬網(wǎng)絡(luò)
使用頂層金屬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提升入侵難度。所有的網(wǎng)格都用來監(jiān)控短路和開路，一旦觸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器復(fù)位或清零。如圖：
普通的 MCU 不會(huì)使用這種保護(hù)方法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)較難，且在異常運(yùn)行條件下也會(huì)觸發(fā)，如：高強(qiáng)度電磁場(chǎng)噪聲，低溫或高溫，異常的時(shí)鐘信號(hào)或供電不良。故有些普通的 MCU 使用更廉價(jià)的偽頂層金屬網(wǎng)格，會(huì)被非常高效的光學(xué)分析進(jìn)行微探測(cè)而被攻擊。另外，這些網(wǎng)格不能防范非侵入式攻擊。同樣不能有效防范半侵入式攻擊，因?yàn)閷?dǎo)線之間有電容，并且光線可以通過導(dǎo)線抵達(dá)電路的有效區(qū)域。在智能卡中，電源和地之間也鋪了一些這樣的網(wǎng)格線。部分可編程的智能卡走的更遠(yuǎn)，干脆砍掉了標(biāo)準(zhǔn)的編程接口，甚至干掉了讀取EEPROM 接口，取而代之的是啟動(dòng)模塊，可以在代碼裝入后擦掉或者屏蔽自己，之后只能響應(yīng)使用者的嵌入軟件所支持的功能。有效的防范了非侵入式攻擊。
七、智能卡芯片安全設(shè)計(jì)
近些年，一些智能卡使用存儲(chǔ)器總線加密（Bus Encryption）技術(shù)來防止探測(cè)攻擊。如圖：
數(shù)據(jù)以密文方式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。即使入侵者獲得數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，也不可能知道密鑰或者別的敏感信息（如數(shù)據(jù)還原方法）。這種保護(hù)措施有效的防范了侵入式和半侵入式攻擊。有些智能卡甚至能夠做到每張卡片總線加密密鑰不同，這樣即使入侵者完全破解了，也無法生產(chǎn)出相同功能的芯片來，因?yàn)槊總€(gè)智能卡芯片有唯一的 ID 號(hào)，無法買到相同 ID 號(hào)的智能卡。另外值得一提的是，有些智能卡將標(biāo)準(zhǔn)的模塊結(jié)構(gòu)如解碼器，寄存器文件，ALU 和 I/O 電路用類似 ASIC 邏輯來設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)成為混合邏輯（Gle Logic）設(shè)計(jì)。混合邏輯使得實(shí)際上不可能通過手工尋找信號(hào)或節(jié)點(diǎn)來獲得卡的信息進(jìn)行物理攻擊。大大提高了 CPU 內(nèi)核的性能和安全性。混合邏輯設(shè)計(jì)幾乎不可能知道總線的物理位置，有效的防范了反向工程和微探測(cè)攻擊。
智能卡芯片加密方案優(yōu)缺點(diǎn)
對(duì)于開發(fā)者來講，選擇更為安全設(shè)計(jì)的微控制器或可以得到更好的保護(hù)。與大多數(shù)微控制器相比，即使是十年前設(shè)計(jì)的智能卡也能提供更好的保護(hù)。現(xiàn)代的智能卡提供了更多的防攻擊保護(hù)，內(nèi)部電壓傳感器保護(hù)免受電源噪聲攻擊（Power Glitch attacks）、過壓和欠壓保護(hù)。時(shí)鐘頻率傳感器防止受到靜態(tài)分析（Static analysis）的降低時(shí)鐘頻率攻擊。同時(shí)也可以防止時(shí)鐘噪聲（Clock glitch attacks）進(jìn)行提高時(shí)鐘頻率的攻擊。頂層金屬網(wǎng)格和內(nèi)部總線硬件加密使可以防止微探測(cè)攻擊。但是與微控制器相比，智能卡芯片也有劣勢(shì)，如：芯片價(jià)格昂貴，小批量的很難買到貨。開發(fā)工具昂貴，需要和制造商簽署保密協(xié)議，即使是說明書也要這樣。很多制造商僅向特定客戶銷售大批量的智能卡。另一個(gè)不足是 I/O 的功能受限，普通智能卡芯片通常只有ISO7816 接口，極少有單獨(dú)的 I/O 口。這使得多數(shù)應(yīng)用中不能取代微控制器，而只能用于安全要求非常高的行業(yè)，如：付費(fèi)機(jī)頂盒，銀行卡，SIM 卡，二代身份證，高端加密芯片等領(lǐng)域。智能卡芯片在加密芯片領(lǐng)域的應(yīng)用，將是個(gè)不錯(cuò)的方向。因?yàn)橹悄芸ㄐ酒踩燃?jí)高，IO 資源少。而普通 MCU 的硬件資源非常豐富，安全程度卻不高，可以將 MCU 中一些關(guān)鍵算法及運(yùn)行參數(shù)，以特殊形式存放在智能卡芯片中，從而實(shí)現(xiàn)高安全強(qiáng)度的強(qiáng)大功能。
后記
堅(jiān)持不懈的嘗試突破保護(hù)機(jī)制的破解團(tuán)體和不斷引入新的安全防范方案的制造商之間的斗爭(zhēng)是沒有盡頭的。“道高一尺，魔高一丈”，又或是“邪不壓正”，將不停的在兩派之間上演！