[논문 리뷰] One Exploit to Rule them All? On the Security of Drop-in Replacement and Counterfeit Microcontrollers

Johannes Obermaier, Marc Schink외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 21.

Security and Verification in Computing인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 드롭인 대체 및 위조된 STM32F1 마이크로컨트롤러의 보안을 조사하며, 분석된 모든 장치—원본 및 클론 제품 포함—이 디버그 및 하드웨어 보안 기능에 심각한 저수준 취약성을 내재하고 있음을 드러낸다. 접근하기 쉬운 DIY 수준의 기법을 사용하여 저자들은 모든 장치에서 펌웨어를 완전히 추출할 수 있음을 입증하며, 전용 장비 없이도 전체 시스템이 위협받을 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원본 장치와 비교하여 드롭인 대체 및 위조된 STM32F1 마이크로컨트롤러의 보안 상태를 평가하기 위해.
• 이 대체 품목들이 원본의 실리콘 수준 클론인지 또는 독립적으로 개발된 것인지, 그리고 그 경우 보안 메커니즘이 어떻게 다를지 조사하기 위해.
• 펌웨어 전체 노출로 이어질 수 있는 하드웨어 및 디버그 인터페이스 취약성을 특정하고 분석하기 위해.
• 고급 실험실 인프라 없이도 이러한 취약성이 저비용, 접근 가능한 방법으로 악용 가능함을 입증하기 위해.
• 유사 장치에 대한 향후 연구를 지원하기 위해 포괄적이고 재현 가능한 분석 및 오픈소스 개념 증명 코드를 제공하기 위해.

제안 방법

• 원본 STM32F1 포함 네 명의 제조사에서 온 여섯 개 마이크로컨트롤러에 대해 저수준 역공학을 수행하였다.
• 기본 도구 및 장비를 사용하여 물리적 접근 공격을 수행하여 디버그 인터페이스 및 메모리 영역을 조사하였다.
• 모든 장치에서 문서화되지 않았거나 보안이 취약한 디버그 액세스 포인트, 특히 JTAG 및 SWD 인터페이스를 악용하였다.
• 디버그 포트에서 약한 또는 누락된 인증과 같은 하드웨어 보안 메커니즘의 다수의 취약성을 식별하고 기록하였다.
• 테스트된 장치에서 모든 식별된 취약성을 재현할 수 있는 오픈소스 개념 증명 코드를 개발 및 배포하였다.
• 표준 오픈소스 도구와 기법을 사용하여 전용 실험실 장비 없이도 펌웨어 추출이 가능함을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드롭인 대체 및 위조된 STM32F1 마이크로컨트롤러는 실제로 원본의 실리콘 수준 클론인지, 아니면 독립적으로 개발된 것인지?
• RQ2 이러한 대체 마이크로컨트롤러를 임베디드 시스템에 사용할 경우 보안적 영향은 무엇인가?
• RQ3 원본 대비 이들 장치의 디버그 및 하드웨어 보안 기능은 어느 정도 약화되거나 누락되어 있는가?
• RQ4 고급 장비 없이도 저비용, DIY 수준의 방법으로 이들 장치에서 펌웨어를 추출할 수 있는가?
• RQ5 다양한 제조사의 제품들 사이에 공통적으로 존재하는 공격 벡터 및 취약성은 무엇인가?

주요 결과

• 테스트한 여섯 개의 마이크로컨트롤러—원본 STM32F1 포함—모두 실리콘 수준 클론이 아니라 개별적으로 개발된 것으로 밝혀졌다.
• 각 장치가 디버그 또는 하드웨어 보안 인터페이스에 최소 하나의 심각한 취약성을 가지고 있어 펌웨어 전체를 추출할 수 있었다.
• 이 취약성들은 고급 실험실 장비 없이도 기본적이고 저비용의 도구와 기법으로 악용 가능했다.
• 침투 공격과 비침투 공격 모두에서 전체 펌웨어가 노출되어, 제조사 간에 체계적인 취약성이 존재함을 시사했다.
• 저자들은 오픈소스 개념 증명 코드를 사용하여 모든 장치에서 펌웨어를 성공적으로 추출하였으며, 공격의 실용적 가능성을 입증하였다.
• 이러한 발견은 특히 신뢰할 수 없는 제3자 마이크로컨트롤러에 의존하는 임베디드 시스템 공급망에서 광범위한 보안 위험을 드러낸다.