嵌入式設(shè)備PCB級逆向基礎(chǔ)技術(shù)

前言

本文介紹一些實(shí)用的PCB級硬件逆向的基礎(chǔ)技術(shù)，可用于研究者和白帽團(tuán)體分析未知的硬件。SEC Consult運(yùn)營的硬件安全專用實(shí)驗(yàn)室是SEC Consult安全實(shí)驗(yàn)室的一部分。

下文展示的研究只是硬件實(shí)驗(yàn)室眾多研究中的冰山一角。

今天，我們生活在一個被嵌入式設(shè)備統(tǒng)治的世界中。每個人都可能生活在各種各樣的窺探、監(jiān)控中。受安全漏洞影響的路由器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、智能手機(jī)和其他嵌入式設(shè)備，是極易被攻擊的。最近爆發(fā)的Mirai病毒事件和其他LoT惡意軟件更加說明了這一點(diǎn)。無論是出于好奇還是應(yīng)顧客要求進(jìn)一步提高產(chǎn)品的安全性，想要深度審計該類設(shè)備的固件，我們都需要拆卸下來，好找到調(diào)試接口。只有通過對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，才能揭示其中的隱秘之處。由于該過程具有一定的破壞性，故通常會對設(shè)備造成損壞。因此，要想進(jìn)行深入的分析，僅準(zhǔn)備一臺設(shè)備是不夠的！

如何從熟知的設(shè)備開始？

為了節(jié)省昂貴的嵌入式分析費(fèi)用，一個簡單快捷方法是替換固件。大型公司很容易在引進(jìn)大批IoT設(shè)備之前委托安全咨詢公司對該產(chǎn)品的內(nèi)置固件進(jìn)行測試，以此最大程度地降低系統(tǒng)的安全風(fēng)險。不過，對用戶和業(yè)余愛好者來說，選擇并不多，他們能安裝的固件多來源于第三方如OpenWRT。盡管這些固件的性能不見得一定比原生的（原生固件是針對該專有芯片指令集開發(fā)的）更加出色，但在安全性方面，確實(shí)如此。當(dāng)我們在完成對已知設(shè)備的安全審計的任務(wù)時，硬件分析的部分通常簡化為在網(wǎng)上的相關(guān)論壇（通常是OpenWRT Wiki）尋找相關(guān)資料。

硬件黑客——識別無文檔設(shè)備的調(diào)試接口

要對一個完全未知的普通設(shè)備刷寫固件，簡直就是一個難以完成的任務(wù)。故而，我們需要逐步剖析硬件電路，以便檢查其所用的固件及檢測固件的安全漏洞。不過，對硬件電路進(jìn)行逆向工程并不是一件簡單的事，尤其是專有芯片集電路，好在一些基本的分析技術(shù)還是適用的。在我們的例子中，Broadcom（博通公司）的SoC作為Belkin F9 K1106as（Belkin:貝爾金公司）無線中繼器的核心部件。我們用該設(shè)備作為例子并不是我們對它別有興趣，而是它的芯片集也用在眾多社區(qū)支持的其他設(shè)備上。為了識別該SoC的引腳，我們將它接上專用電源。打開設(shè)備的外殼，便是PCB板了。我們第一個目的是串行連接到設(shè)備，以獲得shell或至少訪問到引導(dǎo)裝載程序。

圖：Belkin F9 K1106as PCB圖及其不同模塊

要識別金屬防護(hù)罩保護(hù)的模塊，最簡單的辦法是拆掉防護(hù)罩。

圖：用鉗子打開靜電防護(hù)罩

僅為了逆向分析出隱藏在PCB板上的調(diào)試引腳接口，我們不必將全部的防護(hù)罩拆除。借助暴露在PCB上的UART接口（譯者注：通用異步收發(fā)器，詳見百度百科）可以實(shí)現(xiàn)最初的調(diào)試，因?yàn)榘裊ART直接接到以11520 Baud 8n1為終端的FT2322H板上，可以獲取得root shell。相比于其他接口，很容易就可以辨認(rèn)出UART，它只有兩個針腳，接收端及發(fā)送端。進(jìn)行串行通信并非總是UART，但這能幫助我們縮小可能性。一組3-5針的引腳通常是UART接口，這是開發(fā)PCB時預(yù)留的。

UART通常的引腳排布為（GND|RX|TX|VCC）或（GND|TX|RX|VCC）。

那JTAG（譯者注：聯(lián)合測試工作組，詳見百度百科）在哪呢？該標(biāo)準(zhǔn)允許開發(fā)者或有經(jīng)驗(yàn)的黑客輕易地控制CPU、在運(yùn)行階段調(diào)試SoC和對flash進(jìn)行讀取和編程以及運(yùn)行自檢測試。這個問題可以如此作答：用JTAG暴力工具。SEC Consult開發(fā)的工具（包括硬件和軟件）附帶有該功能，當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)上也有許多用于該目的的工具。由于有效的調(diào)試針腳為4-5針，PCB板上部的10個針腳看起來像是JTAG。

圖：暴力檢測JTAG針腳

圖：SEC Consult安全實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的硬件分析工具“SEC Xtractor”

經(jīng)過暴力檢測后，終于找出了針腳！為了保持完整性，也標(biāo)記了UART接口。

圖：JTAG引腳

至于JTAG適配器，用的是廉價的迷你FT2322H模塊。

圖：通過迷你FT2232H模塊連接到JTA

連接到OpenOCD的請求給出了如下結(jié)果：

圖：OpenOCD輸出

該芯片似乎有一個ID為0x2535717f的32位的指令寄存器。此前，我們所知的僅是該Broadcom SoC標(biāo)簽為BCM5358UB0KFBG?，F(xiàn)在，我們有更多的了解了——不過是針對該具體的設(shè)備；JTAG接口可以用來控制芯片及對系統(tǒng)底層的訪問。

硬件黑客——抓取固件

提取固件，是完善該SoC信息池的最后一步。一個Macronix的串行flash芯片安裝在PCB背面?；◣追昼娪胒lashrom和FT2322H即可讀取出其中的內(nèi)容。從datasheet上可以快速找出其引腳定義：

圖：Macronix SPI flash芯片引腳

將flash芯片從PCB板上取下后，置于轉(zhuǎn)接器上并啟動flashrom：

圖：用flashrom讀取SPI存儲器

轉(zhuǎn)儲文件包括整個程序存儲器和暫存數(shù)據(jù)（NVRAM）。用flashrom重寫固件并芯片焊接回去是刷第三方固件的另一種方法。通過調(diào)用“binwalk-Adump.bin”，得到許多的“MIPSEL”（MIPS little endian）指令，這讓我們不禁假設(shè)：該Broadcom SoC 是基于通用MIPSEL32 CPU的。SOP封裝的串行flash芯片是最容易讀取的flash，更具挑戰(zhàn)性的NAND和NOR flash芯片，由于其復(fù)雜的接口、狹小的封裝和數(shù)目眾多的引腳，操作起來甚是困難。

通過IoT Inspector對轉(zhuǎn)儲文件進(jìn)行初步分析顯示，該固件存在一些基本的安全風(fēng)險，同時也獲取到該設(shè)備使用的軟件信息。由于我們分析的是老舊設(shè)備，一些安全漏洞可以追溯到2007年：

圖：IoT Inspector報告摘錄

硬件黑客——逆向SoC引腳

正如先前所述，如果得到了SoC的引腳定義，那么我們將可以對任何使用BCM5358UB0KFBG的設(shè)備進(jìn)行逆向。為此，大多數(shù)情況下我們可以用熱風(fēng)槍將BGA封裝的芯片拆焊下來。

圖：熱風(fēng)槍返修臺

圖：拆下SoC后的Belkin PCB

根據(jù)SoC的引腳連接情況，結(jié)合datasheet的相關(guān)資料以及針腳對地/電源（GND/VCC）電壓的測定和邏輯推斷，我們得出該芯片部分重要引腳的功能定義。

圖：BCM5358U0KFBG芯片部分引腳功能定義

顯然，BCM535x系列芯片有著相似的引腳定義。https://wikidevi.com網(wǎng)站收集有計算機(jī)硬件的相關(guān)信息，當(dāng)然也包括Broadcom SoC系列。我們找到了下面的條目：

圖：來源: https://wikidevi.com

觀察包含該類芯片的其他路由器的圖片可以發(fā)現(xiàn)，芯片的引腳功能都是大同小異。

Wikidei網(wǎng)站包含眾多硬件的相關(guān)信息，除此之外，制造商提供的相關(guān)文檔也非常詳盡。中國似乎是唯一一個各個品牌路由器的生產(chǎn)國。

硬件黑客——來自中國的供應(yīng)鏈

所有這些中國制造的電子產(chǎn)品，芯片、外圍設(shè)備、路由器等，經(jīng)常是由同一家工廠組裝完成的。結(jié)果很明顯，這些產(chǎn)品的質(zhì)量都在一個等級，一些工廠也為相互競爭的市場供應(yīng)商生產(chǎn)產(chǎn)品。我們來看看兩張華碩RT-N53路由器和Belkin F9 K1106無線中繼器的內(nèi)部圖片。這PCB板上的標(biāo)識簡直就是一摸一樣，是不是？

圖：華碩PCB，來源：https://apps.fcc.gov/

圖：Belkin PCB
巧合嗎？并不像啊。這些標(biāo)識的字體是ELCAD（電腦輔助電子設(shè)計）軟件默認(rèn)設(shè)置的，如果不是強(qiáng)制要求，開發(fā)者是不會去改動的。這意味著相同的模板重用于華碩PCB的開發(fā)，甚至更多其他供應(yīng)商。因此，同一家ODM（原設(shè)計制造商）負(fù)責(zé)設(shè)計制造包括Belkin在內(nèi)各品牌的產(chǎn)品。

在嵌入式設(shè)備生產(chǎn)中，這并不是什么不常見的生產(chǎn)形式，尤其是對于來自US的公司。其中的固件多半也是亞洲供應(yīng)商基于標(biāo)準(zhǔn)的亦或是定制的SDK開發(fā)的。

審核編輯：湯梓紅