[论文解读] 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 6

一句话总结

本文研究了即插即用型替换品和假冒STM32F1微控制器的安全性，揭示了所有分析过的设备——包括原厂产品和山寨品——在调试和硬件安全功能中均存在关键的低级别漏洞。通过可及的、DIY级别的技术，作者证明了可从所有设备中完全提取固件，且无需专业设备即可使整个系统面临被攻破的风险。

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.

研究动机与目标

• 评估即插即用型替换品和假冒STM32F1微控制器与原厂设备相比的安全状况。
• 调查这些替代品是否为原厂芯片的硅级克隆，或是否为独立开发，若是，其安全机制有何不同。
• 识别并分析可能导致完整固件泄露的硬件和调试接口漏洞。
• 证明这些漏洞可利用低成本、易获取的方法进行利用，且无需依赖先进的实验室基础设施。
• 提供全面、可复现的分析，并发布开源概念验证代码，以支持对类似设备的进一步研究。

提出的方法

• 对来自四家不同制造商的六款微控制器（包括原厂STM32F1）进行了低层级逆向工程。
• 使用基础工具和设备进行物理访问攻击，探测调试接口和内存区域。
• 利用所有设备中未文档化或保护不足的调试接入点，包括JTAG和SWD接口。
• 识别并记录了硬件安全机制中的多个漏洞，例如调试端口上存在弱认证或无认证。
• 开发并发布了开源概念验证代码，可在所有测试设备上复现已识别的漏洞。
• 使用标准、市售的工具和技术，证明无需专业实验室设备即可实现固件提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 即插即用型替换品和假冒STM32F1微控制器是否确实是原厂芯片的硅级克隆，还是独立开发的？
• RQ2 在嵌入式系统中使用这些替代微控制器的安全影响是什么？
• RQ3 与原厂产品相比，这些设备的调试和硬件安全功能在多大程度上被削弱或缺失？
• RQ4 能否使用低成本、DIY级别的方法在不依赖先进仪器的情况下从这些设备中提取固件？
• RQ5 在多个制造商的实现中，存在哪些常见的攻击向量和漏洞？

主要发现

• 所有六款测试的微控制器——包括原厂STM32F1——均被发现为独立开发，而非硅级克隆。
• 每款设备在其调试或硬件安全接口中均至少存在一个关键漏洞，可导致完整固件提取。
• 这些漏洞可利用基础、低成本的工具和技术进行利用，无需复杂实验室设备。
• 侵入式和非侵入式攻击均成功暴露了全部固件，表明各制造商之间存在系统性缺陷。
• 作者使用开源概念验证代码成功从所有设备中提取了固件，证明了此类攻击的实际可行性。
• 研究结果凸显了嵌入式系统供应链中广泛存在的安全风险，尤其针对依赖不可信第三方微控制器的设备。