物聯網安全研究人員可從智能燈泡得知你的WiFi密碼

近十年，隨著傳感器技術、無線通信技術的迅速發(fā)展，越來越多的物聯網產品出現在我們的視野中，Gartner預測，到2020年，物聯網設備的裝機量將超過200億，但很多物聯網設備受到成本、研發(fā)人員安全素質等因素的限制，存在大量的安全問題。例如2016年底的Mirai事件，就是因為弱口令和未修復的設備漏洞引起的。物聯網終端的安全，也越來越受到人們的關注。

物聯網安全研究人員滲透進了某智能燈泡，獲取到了Mesh網絡內傳輸的WiFi信息（包括WiFi密碼）。盡管在該案例中WiFi密碼被加密，但是研究人員依然通過獲取設備的底層固件，得到了加密算法和密鑰信息，最終得到了明文的WiFi密碼。固件提取進而分析固件是攻擊者常見的滲透手段，反之如果廠商想要生產出高安全級別的智能燈泡，第一步就是要防止固件內容被竊取。

接下來，我們對這次案例做個簡單的分析，然后進一步分析固件提取原理和過程，最后總結在現有的技術背景下獲取固件的方法和相應的防護方法。為了描述方便，我們把這種獲取固件的技術稱為固件提取。

案例回放

文章中提到的攻擊，可以分3步：

1.利用單片機和支持IEEE 802.15.4無線通信的模塊來抓取6LoWPAN流量中的數據，提取出WiFi信息（此時加密的）。

2.通過提取固件、分析固件，分析出其采用的是AES加密算法，并提取出加密密鑰和初始向量等信息。

3.根據2中獲取的信息來解密得到WiFi密碼。

這是一個典型的針對家庭局域網絡內的嗅探攻擊。今后的物聯網設備將有一大部分是作為Mesh網絡節(jié)點存在，只不過網關可能是手機、路由器、筆記本電腦等一切具備藍牙、ZigBee、WiFi等無線聯網能力的設備?；诂F有的網絡來看今后的物聯網，設備如果想要具有聯網能力，則必須利用至少一條有線或無線的通道連接到互聯網。如果是通過WiFi連接，必要的信息就是WiFi的SSID和密碼。

案例中，攻擊者通過分析固件得到了解密WiFi密碼所需的信息——加密密鑰和AES初始向量。那為什么研究人員可以獲取到固件呢？下面我們將分析固件提取的原理，并且分析在現有的技術背景下，提取物聯網節(jié)點上低性能智能設備固件的方法。

固件提取的原理

以STM32F103系列單片機為例。該單片機基于ARM Cortex M3內核，片內帶有64KB的Flash和20KB的SRAM。單片機讀取程序到SRAM再進行譯碼。目前已知的有兩個地方會存儲需要運行的程序：

1.單片機內的Flash/ROM。

2.單片機外掛的Flash/ROM。

對于存儲器來說，讀和寫的操作是最基本的，即：必然存在一種方式，可以把存儲器中的數據讀取出來。如果讀取的數據是單片機需要翻譯的機器碼，那么我們就把讀取的過程叫提取，把要讀取的數據稱為固件。

stm32f103c8t6單片機的片內Flash的地址是0x08000000-0x0801ffff（如上圖所示），總共64KB。如果要提取出固件，有必要了解代碼是如何燒寫進芯片內的Flash區(qū)域里面的。

在開發(fā)過程中，會有如下過程：

1.搭建好編譯環(huán)境，編寫程序代碼（一般采用高級程序設計語言，如C語言），編譯、生成可執(zhí)行文件。

2.搭建好燒寫環(huán)境，把可執(zhí)行文件傳到單片機芯片中，使單片機上電可以運行。

編譯環(huán)境就是用把單片機C語言程序編譯成匯編、機器碼等，生成16進制hex文件或者二進制bin文件，一個編譯器即可。燒寫環(huán)境就是把機器碼下載到上圖的Flash區(qū)域的過程中所需的工具，包含J-link、U-link、ST-LINK（stm32單片機專用）等硬件工具和STVP、mcuisp等軟件（使用一套軟硬件即可）

請注意，燒寫、下載、上傳、提取這四個詞，說白了，就是對Flash區(qū)域讀寫的過程。目前發(fā)現兩種讀取固件的方式，第一種是依托于生產廠商固化在芯片內的bootloader，把Flash中的固件讀取出來，第二種是通過調試接口把固件讀出來。第一種需要bootloader支持，而且一般是支持的。第二種是依靠硬件調試工具直接讀取，在前面的案例中，研究人員通過PCB上保留的JTAG調試接口，把固件讀取了出來。

篇幅所限，讀取過程中的交互細節(jié)不多介紹，直接介紹兩類固件提取的工具和方法，一類是以stm32單片機為例的單片機固件提取的工具和方法，一類是外掛Flash形式的Flash固件提取的工具和方法。

單片機片內

Flash的固件提取的工具和方法：

單片機固件提取方式有兩類，一類是通過bootloader讀取，一類是通過調試接口讀取。

利用bootloader提取

通過串口，把芯片和電腦相連，運行mcuisp軟件，點擊讀Flash即可。

mcuisp軟件通常被用來通過串口通信下載固件到單片機。串口通信也是通信技術的一種，目的是實現芯片A到芯片B的數據傳輸，是芯片之間經常用到的通信方式。例如：如果我的目的是把程序代碼“abcd”傳輸到芯片A中，但是，我僅僅通過電腦與沒有bootloader的單片機進行串口通信，“abcd”是沒辦法直接儲存到Flash區(qū)域的，必須在單片機內部寫好一段代碼，在“abcd”已經通過串行接口，一個一個的到達單片機內部的緩沖器時，把 “abcd”一個一個的轉存到Flash區(qū)域。這樣就實現一種電腦直接寫入“abcd”到Flash的假象，達到用戶無感知或是透明傳輸的效果。提取固件的過程與上述過程相反，只需要利用bootloader把Flash的內容通過串口通信發(fā)送給電腦即可。

利用硬件調試接口提取

在開發(fā)單片機程序時，會用到硬件調試工具，實現單步運行來查看程序實時運行的效果。一般可以通過下面兩類調試接口，把Flash中的數據讀取出來。

（1）SWD接口，利用硬件：J-LINK OB或者J-LINK或者ST-LINK;利用軟件：J-LINK驅動程序自帶的J-FLASH或者ST官網提供的STVP。

（2）JTAG接口，利用硬件：J-LINK;利用軟件：J-LINK驅動自帶的J-FLASH。

如果找不到串行接口，可以用這種方式，當然，前提是產品電路板上可以引出這兩類接口之一，否則只能取下芯片了。

單片機片外

作為一個存儲器，上電之后不可能自己就把數據顯示給我們，就好像U盤買回來，得插電腦上，加載完驅動才能讀取到里面的數據。對于片外Flash，需要把Flash芯片從產品的電路板中取下來，再放到另外一個帶有MCU的電路板上來讀取數據。萬能的淘寶提供了編程器，方便了對眾多Flash芯片的內部數據的提取。

這種方式有兩個缺點：

一是比較暴力，需要把Flash芯片從電路板上取下來，再把Flash芯片放到編程器上面，利用配套的PC端軟件，把固件讀取出來。

二是Flash芯片型號需要得到編程器的支持。那問題來了，如果這個編程器不支持我的Flash的型號呢？那就自己寫個單片機程序把程序讀出來吧。

一般，在大學本科修讀電子信息工程、通信工程或自動化專業(yè)的，有獨立硬件項目開發(fā)經驗的同學，都可以獨立實現。

防護措施

介紹了這么多提取固件的工具和方法，那現在有哪些方法能有效防止產品固件被提取出來呢？

針對單片機固件提取的防護：我們可以通過編程的方式，把內部Flash區(qū)域設置為讀保護狀態(tài)，這樣只要不對MCU進行解封，利用顯微鏡對內部Flash的電平狀態(tài)進行破壞，是很難篡改固件的，至于讀取固件，基本上不可能。例如，我們對stm32單片機的RDP寄存器進行設置，使內存保護等級提升至level 2，或者把重要的程序和數據利用PCROP功能保護起來，防止讀取。

對外掛的Flash內的固件，目前，就本人所知，只要能取下來，獲得型號，就可以得到固件。

那問題就變成了：如何不讓攻擊者把Flash安全地取下來？我建議硬件設計工程師把PCB上的Flash芯片，依靠電路設計保護起來。例如：設計Flash芯片在線檢測電路，一旦Flash芯片的引腳出現斷線，則立刻發(fā)動強電壓攻擊，將Flash芯片破壞，防止攻擊者讀取出Flash芯片中的固件。

總結

我們通過分析固件提取的原理，介紹固件提取可用的方法和工具以及相應的防護措施，希望可以使更多的電子工程師、嵌入式軟件工程師重視智能設備固件的保護。同時，我們希望這篇文章可以給物聯網安全從業(yè)人員帶來一些物聯網設備的防護建議。希望在智能設備開發(fā)工程師和安全測評工程師的共同努力下，我們身邊的智能設備變得越來越安全。