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?；蛴妹艽a來控制對存儲(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攻擊,。
智能卡芯片加密方案優(yōu)缺點(diǎn)
對于開發(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攻擊。但是與微控制器相比,，智能卡芯片也有劣勢,，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酒踩燃壐?，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是沒有盡頭的?！暗栏咭怀?，魔高一丈”，又或是“邪不壓正”,，將不停的在兩派之間上演,！