[論文レビュー] One Exploit to Rule them All? On the Security of Drop-in Replacement and Counterfeit Microcontrollers

Johannes Obermaier, Marc Schink+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Security and Verification in Computing被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ドロップイン互換および偽造STM32F1マイコンのセキュリティを調査し、分析されたすべてのデバイス—オリジナル品およびクローン品を含む—が、デバッグおよびハードウェアセキュリティ機能に深刻な低レベルの脆弱性を有していることを明らかにした。著者らは、容易に入手可能なDIYレベルの技術を用いて、特別な機器を必要とせずに、すべてのデバイスからファームウェアを完全に抽出できることを実証した。

ABSTRACT

With the increasing complexity of embedded systems, the firmware has become a valuable asset. At the same time, pressure for cost reductions in hardware is imminent. These two aspects are united at the heart of the system, i.e., the microcontroller. It runs and protects its firmware, but simultaneously has to prevail against cheaper alternatives. For the very popular STM32F1 microcontroller series, this has caused the emergence of many competitors in the last few years who offer drop-in replacements or even sell counterfeit devices at a fraction of the original price. Thus, the question emerges whether the replacements are silicon-level clones and, if not, whether they provide better, equal, or less security. In this paper, we analyze a total of six devices by four manufacturers, including the original device, in depth. Via a low-level analysis, we identify all of them as being individually developed devices. We further put the focus on debug and hardware security, discovering several novel vulnerabilities in all devices, causing the exposure of the entire firmware. All of the presented vulnerabilities, including invasive ones, are on a Do it Yourself (DiY) level without the demand for a sophisticated lab -- thereby underlining the urgency for hardware fixes. To facilitate further research, reproduction, and testing of other devices, we provide a comprehensive description of all vulnerabilities in this paper and code for proofs-of-concepts online.

研究の動機と目的

• オリジナルデバイスと比較して、ドロップイン代替および偽造STM32F1マイコンのセキュリティ体制を評価すること。
• これらの代替品が実際にはシリコンレベルのクローンであるのか、それとも独立して開発されたものであるのかを調査し、その場合、セキュリティメカニズムにどのような差異が生じるかを明らかにすること。
• 完全なファームウェア公開を引き起こす可能性がある、ハードウェアおよびデバッグインターフェースの脆弱性を特定・分析すること。
• 高価なラボインfraストラクチャを必要とせず、低コストでアクセス可能な方法でこれらの脆弱性が利用可能であることを実証すること。
• 今後の類似デバイスに関する研究を支援するため、包括的かつ再現可能な分析とオープンソースのプローブジェクトコードを提供すること。

提案手法

• STM32F1のオリジナル品を含む、4つの異なるメーカーから6つのマイコンを対象に低レベルのリバースエンジニアリングを実施した。
• 基本的な工具および機器を用いた物理的アクセス攻撃により、デバッグインターフェースおよびメモリ領域をプローブした。
• すべてのデバイスで、ドキュメント化されていない、または不十分に保護されたデバッグアクセスポイント（JTAGおよびSWDインターフェースを含む）を悪用した。
• デバッグポートにおける弱いまたは欠落した認証といった、ハードウェアセキュリティメカニズムにおける複数の脆弱性を特定・文書化した。
• テスト済みデバイスで同定されたすべての脆弱性を再現可能なオープンソースのプローブジェクトコードを開発・公開した。
• 標準的で市販のツールおよび技術を用いて、特別なラボ機器を必要とせずにファームウェア抽出が可能であることを実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドロップイン代替および偽造STM32F1マイコンは、実際にオリジナル品のシリコンレベルのクローンであるのか、それとも独立して開発されたものなのか？
• RQ2 これらの代替マイコンを組み込んだ埋め込みシステムにおけるセキュリティ上の影響は何か？
• RQ3 オリジナル品と比較して、これらのデバイスにおけるデバッグおよびハードウェアセキュリティ機能は、どの程度弱体化しているか、または欠落しているか？
• RQ4 高度な計測機器を必要とせず、低コストでDIY可能な方法で、これらのデバイスからファームウェアを抽出できるか？
• RQ5 複数のメーカーの実装に共通する攻撃ベクトルおよび脆弱性は何か？

主な発見

• テスト済みの6つのマイコンすべて（オリジナル品を含む）が、個別に開発されたものであり、シリコンレベルのクローンではなかった。
• 各デバイスが少なくとも1つの深刻な脆弱性をデバッグまたはハードウェアセキュリティインターフェースに抱えており、完全なファームウェア抽出が可能であった。
• これらの脆弱性は、高価で複雑なラボ機器を必要とせず、基本的で低コストのツールおよび技術で悪用可能であった。
• 侵入攻撃および非侵入攻撃の両方とも、全ファームウェアの露呈に成功しており、複数のメーカーにわたる根本的な弱みが存在することが示された。
• 著者らは、オープンソースのプローブジェクトコードを用いて、すべてのデバイスからファームウェアを正常に抽出した。これにより、攻撃の実用的妥当性が裏付けられた。
• これらの発見は、信頼できないサードパーティマイコンに依存する埋め込みシステムのサプライチェーンにおいて、広範なセキュリティリスクが存在することを示している。