Как считать программу с микроконтроллера

Вычитываем прошивку STM32

Почти в каждом микроконтроллере с интегрированной флэш памятью есть защита от вычитывания прошивки. Это делается чтобы защитить интеллектуальную собственность, криптографические ключи и алгоритмы от злоумышленников. Микроконтроллеры серии STM32, получившие широкое распространение в последнее время, особенно часто подвергаются атакам, однако нет практического опыта или информации касательно защищенности STM32 от подобных атак доступной публично. В этой статье рассмотрим системы защиты прошивки на примере STM32f0 серии.

Концепт защиты

Flash Readout Protection (RDP) ключевой компонент в защите, включенный во все линейки микроконтроллеров. Он защищает системную прошивку, сохраненную во внутренней флэш памяти от вычитывания. В зависимости от линейки, могут быть включены дополнительные механизмы, такие как Memory Protection Unit (MPU) и привилегированные / непривилегированные режимы исполнения. Вместе, эти системы призваны повысить защищенность.

RDP имеет 3 уровня защиты, RDP level 0, 1, 2. Защищенность увеличивается с ростом числа.

RDP level 0 : установлен по умолчанию и не предполагает защиты. Используя интерфейс отладки, можно получить полный доступ к устройству.

PRD level 1: Интерфейс отладки остается активным, но доступ к флэшу ограничен. Как только подключается интерфейс отладки, флэш память блокируется. Она не может быть считана ни напрямую, ни через DMA, ни путем исполнения инструкций из нее. Уровень защиты может быть как повышен до 2, так и понижен до 0, с потерей содержимого всей флэш памяти.

PRD level 2: максимально ограничивает и предоставляет максимальный уровень защиты. Интерфейс отладки отключен. Уровень не может быть понижен. Однако, несмотря на самый высокий уровень защиты, уровень 1 широко используется. Многие компании предпочитают не блокировать устройства полностью, предполагая возможности для устранения багов и неисправностей, т. к. на уровне 2 отладка невозможна. К тому же, в серии STM32f1 нет поддержки RDP level 2.

Устройство защиты RDP

RDP level это часть конфигурации систем микроконтроллера, хранящаяся в выделенной option bytes секции как 16 бит non-volatile памяти в виде двух регистров, RDP и nRDP. nRDP побитно комплементарен к RDP. Избыточность необходима для защиты от смены уровня путем подмены одного бита.

Логика работы RDP

Согласно datasheet, на RDP level 1 существует два режим исполнения. Режим пользователя и режим отладки. Как только мк переходит в режим отладки, доступ к флэш блокируется. Чтение из флэша по заявлениям производителя должен вызвать ошибку шины, затем Hard Fault interrupt.

Атака Cold-Boot Stepping

В режиме RDP level 1 при подключении отладчика ограничивается доступ только к FLASH памяти, тогда как SRAM остается доступна. Мы можем попробовать вычитать данные в момент, когда она загружены в оперативную память. С такой уязвимостью борются разработчики криптографических библиотек. Ключи шифрования хранятся в SRAM только во время использования, что составляет несколько миллисекунд, что делают такую атаку практически не выполнимой, даже без того факта, что мы не знаем об организации памяти.

Для преодоления этого ограничения авторы статьи разработали Cold-Boot Stepping (CBS), метод с помощью которого можно делать точные снимки оперативной памяти. Идея метода в том, чтобы точно отсчитывать время от события, к примеру RESET, и циклично с шагом несколько тактов делать snapshot содержимого SRAM. Атака состоит из следующих шагов:

1. Установление системы в изначальное состояние

1. Отключение питания. Необходимо чтобы мк смог снова читать из flash памяти.
2. Установка RESET до подачи питания. Позволяет запустить систему без начала исполнения кода
3. Подача питания под установленным RESET

2. Запуск системы на N кол-во шагов.

1. Запускает исполнение кода путем снятия RESET
2. Ожидание пока исполнение прошивки дойдет до установленного места
3. Установка Reset. Останавливает выполнение, но данные в SRAM остаются нетронутыми.

3. Вычитывание содержимого SRAM в файл

1. Подключение отладчика к мк
2. Снятие сигнала reset. МК не начинает исполнение кода, т. к. находится в состоянии halt установленного отладчиком.
3. Вычитывание SRAM

Повторяя этот алгоритм нужное нам количество раз можно получить информацию о контексте исполнения программы. Для реализации данной атаке необходимо точно контролировать время, что возможно только при использовании дополнительного мк.

Экстракция прошивки через CBS

Развивая описанный метод, можно создать метод полной экстракции прошивки. Во многих продуктах производители используют загрузчик, алгоритм верификации прошивки которого базируется на подсчете чек суммы, например CRC32, реализованной в некоторых линейках мк. Применяя CBS (Cold-Boot stepping) на этапе работы загрузчика, можно полностью восстановить прошивку путем анализа регистров аппаратной чек суммы или программной ее реализации, ведь на определенном шаге в ней хранится байты интересующей нас части прошивки.

На фотографии представлена автономная установка для извлечения прошивки. Ноутбук динамически подстраивает шаг, основываясь на успешности работы на предыдущем шаге. Для мк с малым объемом памяти, например STM32F051R8T6 на 64кб, экстракция займет несколько дней.

Получается, что несмотря на то, что RDP level 1 предоставляет защиту от чтения SRAM, она может быть взломана.

Использование RDP level 2 позволить обезопасить устройство от подобных атак, одна зачастую производители используют RDP level 1. Например, в популярном программном обеспечении для отладки, OpenOCD, предоставляет только команду “Lock” для защиты flash памяти устройство. При этом команда поддерживает только RDP level 1.

Понижения уровня защиты

Рассмотрим теперь методы понижения уровня RDP. Производитель заявляет, необратимость установки уровня RDP level 2. В идеале нам нужно понизить уровень 2 до 0, однако избыточность регистров RDP требует замены 8 битов. Чтобы понизить 2->1, требует изменить всего 1 бит.

Методом UV-C оптической экспозиции можно добиться изменения бит с состояния “0” на “1”. Когда излучение в 254нм попадет на затвор, происходит внедрение электронов и состояние логической ячейки переходит с 0 (заряженное) на 1 (незаряженное). Предварительно требуется очистить кристалл с помощью химического травления.

Однако требуется локализовать область кристалла, где находятся RDP байты. Производитель не документирует внутреннюю структуру кристалла. Напишем программу, которая будет читать области памяти и определять факт изменения бита. В это время будет постепенно подвергать излучению различные части мк. После того, как положение байт RDP найдено, можно изготовить маску для точечного воздействия на мк. В лучшей попытке авторам статьи удалось понизить уровень защиты RDP без дополнительных ошибочно измененных бит.

Защита от понижения уровня защиты

Не существует защиты от понижения уровня RDP, однако можно написать программу так, что на этапе инициализации она как можно раньше проверяет значение битов RDP и FLASH_OBR, в котором хранится текущий уровень защиты, и прекращает исполнения, делая метод экстракции CBS бесполезным.

Взлом интерфейса отладки

Микроконтроллеры производителя ST предполагают отладку по интерфейсу SWD [2]. Когда отладчик подключается к мк с RDP level 1 защита флэш памяти ограничивает доступ. Плохо задокументированный механизм отладки вызывает много вопросов и подстегивает к его изучению.

Авторы статьи создали свою реализацию интерфейса SWD для изучения работы защиты. Оказывается, что защита активируется только если отладчик взаимодействует с шиной AHB-Lite [1]. Получая доступ только к регистрам SWD, защита не активируется, но как только запрашивается доступ к периферии, SRAM или Flash мк переходит в режим отладки и flash память блокируется.

Для определения логики работы защиты авторы уменьшили количество SWD запросов до необходимого минимума для успешной инициализации. В процессе инициализации защита не срабатывает.

Согласно документации на Cortex-M0 [3] инструкции процессора имеют приоритет по отношению к интерфейсу отладки. Получается отладчику нужно дожидаться свободного цикла на шине чтобы исполнить свой запрос. Если отладчик получит доступ к шине раньше защиты flash памяти, то сможет считать данные из не заблокированной памяти.
Авторы статьи изучили работу защиты с прошивкой, эмулирующей нагрузку на шину, состоящий из интенсивного чтения и операций NOP. Если в прошивке нет таких операций, то чтения памяти отладчиком занимает 2 цикла: разрешения адреса и непосредственно чтение. Если добавить одну операцию NOP, то один из трех запросов на чтение не выполнится. Зависимость вероятности успешного чтения от кол-ва операций NOP может быть выражена в виде формулы

Использование операций STR в качестве нагрузки позволят показать, что flash память сама контролирует доступ. Прошивка также очень быстро мигает светодиодом, а момент, когда он перестает мигать, говорит о том, что память заблокировалась и исполнение кода прекратилось.

Одним из объяснений данной уязвимости может быть некорректная имплементация согласования источника тактирования и остальной логики.

Авторы представили действующую реализацию экстракции кода с помощью двух STM32F0 Discovery. Данные отправляются на ПК через интерфейс UART, а SWD реализован на одной из STM.

Атака состоит из следующих шагов:

1. Перезагрузка системы с помощью отключения и подачи питания, чтобы сбросить защиту флэш памяти.
2. Инициализация интерфейса отладки.
3. Установка длины слова отладки в 32 бита
4. Установка адреса чтения из флэша
5. Попытка чтения из памяти
6. Вычитывание считанных данных через SWD
7. Повторить пока не прочтем всю память инкрементируя адрес

Средняя скорость вычитывания получается около 45 байт в секунду, что позволяет прочесть самый емкий «камень» в 256кб за 2 часа. Однако эксперименты проводились только на серии STM32F0 и предполагается, что из-за схожего внутреннего состояния, все мк линейки подвержены подобным атакам. Другие серии могут быть не затронуты.
Данную атаку можно избежать, используя второй уровень RDP, но как показано ранее уровень защиты может быть изменен. В то время как метод CBS требует работоспособность программного кода, уязвимость в отладчике может работать и в случае поврежденной при понижении уровня RDP прошивки.

Выводы

Серия мк STM32F0 содержит ряд уязвимостей позволяющих в лаборатории с базовым оборудованием создать установку для вычитывания прошивки. Методы могут комбинироваться для достижения наилучшего результата или позволить работать в RDP level 2.

Все необходимы материалы, исходный код и примеры представлены авторами статьи публично под лицензией MIT https://science.obermaier-johannes.de/.

[1] ARM LIMITED. AMBA 3 AHB-Lite Protocol Specification v1.0, 2006.

[2] ARM LIMITED. CoreSight Components Technical Reference Manual, 2009.

[3] ARM LIMITED. Cortex-M0 Technical Reference Manual, 2009.

Как считать программу с микроконтроллера

Ответы на часто задаваемые вопросы:

1. Для кого предназначен этот FAQ?

Большинство специалистов разрабатывающие устройства на микроконтроллерах уже знакомы с темой защиты программ микроконтроллеров, поэтому можно считать, что данный раздел им ни о чем новом не расскажет. Однако имеется огромная армия инженеров и простых потребителей электронных устройств не знакомых с детальной организацией подобной защиты, но желающих либо разобраться в деталях работы имеющегося устройства, либо создать подобное устройство, для них то и предназначен этот сборник ответов на вопросы.

2. Для чего и от кого делается защита микроконтроллеров?

Многие производители электронных устройств стараются защитить свое устройство от возможности простого копирования его другим производителем. Им навстречу пошли производители микроконтроллеров, введя в функционал своих изделий защиту от копирования программы (микропрограммы) содержащийся в памяти микроконтроллера. Используя эту защиту от чтения микропрограммы (прошивки) производители электронных устройств могут защитить свой продукт от простого копирования другим производителем.

3. Что представляет собой защита от копирования в микроконтроллере, и почему я сам не могу считать защищенную микропрограмму (прошивку)?

Обычно защита от копирования устанавливается во время программирования микроконтроллера путем установки специального бита защиты или нескольких бит в слове конфигурации микроконтроллера. Физически эти биты располагаются в специальных ячейках памяти на кристалле микроконтроллера. Иногда используются другие методы защиты, например защита паролем, но принцип сохраняется. Чтобы снять защиту обычно необходимо изменить значение этого бита или нескольких битов, хотя часто могут использоваться и другие методы считывания содержимого памяти программы микроконтроллера. Обычными методами, например программатором, это сделать не удастся, необходимо сложное дорогостоящее оборудования, которого обычный разработчик электронных устройств не имеет. Поэтому мы, имея необходимое оборудование, знания и опыт, специализируемся на предоставлении подобного рода услуг.

4. Что дает мне снятие защиты от чтения микропрограммы (прошивки)?

Допустим, у Вас есть устройство, которое Вы приобрели у одного из производителей электронных устройств и Вы хотите производить такое же, но модифицированное устройство. Но исходников микропрограммы или готовой прошивки у Вас естественно нет, и Вам будет необходимо полностью с нуля разрабатывать и отлаживать микропрограмму. На это, по сравнению с копированием электронной составляющей устройства (схемы), придется потратить много денег и времени. Пользуясь нашими профессиональными услугами, Вы сэкономите и деньги и время на разработку устройства. При наличии устройства или его электрической схемы мы можем восстановить полностью алгоритм его работы и текст микропрограммы на языке программирования Си или Ассемблер.

5. Какова законность таких действий с точки зрения законодательства?

Все микропрограммы (прошивки) мы считываем по заказу клиента с целью ремонта его устройства, либо для ознакомления с алгоритмом работы микропрограммы. Вся дальнейшая ответственность за незаконное распространение микропрограммы или иные действия с ней или с её помощью ложится полностью на заказчика. Наша компания работает на территории РФ, поэтому ниже приведем цитату из закона. Законодательство других стран декларирует аналогичную позицию. Статья 1280 ГК РФ. «Свободное воспроизведение программ для ЭВМ и баз данных. Декомпилирование программ для ЭВМ». . 2. Лицо, правомерно владеющее экземпляром программы для ЭВМ, вправе без согласия правообладателя и без выплаты дополнительного вознаграждения изучать, исследовать или испытывать функционирование такой программы в целях определения идей и принципов, лежащих в основе любого элемента программы для ЭВМ, путем осуществления действий, предусмотренных подпунктом 1 пункта 1 настоящей статьи. 3. Лицо, правомерно владеющее экземпляром программы для ЭВМ, вправе без согласия правообладателя и без выплаты дополнительного вознаграждения воспроизвести и преобразовать объектный код в исходный текст (декомпилировать программу для ЭВМ) или поручить иным лицам осуществить эти действия, если они необходимы для достижения способности к взаимодействию независимо разработанной этим лицом программы для ЭВМ с другими программами, которые могут взаимодействовать с декомпилируемой программой.

6. Что представляет собой дополнительная защита от чтения и почему она лучше обычной?

Дополнительная трёхуровневая защита предназначена для создания условий невозможности чтения микропрограммы (прошивки) известными методами. Она может включать в себя от одного до трёх уровней защиты: защита от вскрытия корпуса, скрытый внутрикорпусной обрыв ножки используемой программатором для чтения, скрытое внутрикристальное удаление логики управления ножкой используемой для чтения. Первый уровень представляет собой стойкий к кислотам и растворителям тугоплавкий полимер, что не позволяет добраться до кристалла. Второй уровень делает невозможной процедуру считывания программатором без специальных дорогостоящих инструментов. Третий уровень выполняет аналогичную второму функцию, но при этом внутрикристальное восстановление логики управления на внутренних слоях практически не возможно, либо требует очень дорогостоящего оборудования. Учитывая, что в подавляющем большинстве случаев обычная заводская защита легко обходится, дополнительная защита для многих дорогостоящих и сложных устройств является крайне необходимой мерой для предотвращения материальных потерь связанных с попаданием плодов интеллектуальной деятельности в руки третьих лиц.

7. Я хочу установить дополнительную защиту, но я боюсь, что вы считаете мою суперсекретную программу перед установкой защиты. Есть ли какой-то способ установить дополнительную защиту на микросхему, перед тем как я ее окончательно запрограммирую?

В данном случае перед установкой нашей дополнительной защиты можно прошить только бутлоадер без основной программы. После того, как мы установим дополнительную защиту, вы уже сможете запрограммировать основную память. Причем бутлоадер для загрузки основной программы должен использовать любой другой интерфейс отличный от основного, использующегося для стандартного программирования, так как основной интерфейс будет отключен после установки нашей дополнительной защиты. Обычно сам бутлоадер не представляет никакого интереса для копирования. В качестве бутлоадера можно использовать свой, либо модифицированный из примеров от производителя микроконтроллера.

8. Я боюсь, что после считывания моя программа может быть передана или использована третьими лицами.

Это исключено, мы никогда никому не передаем считанные микропрограммы и восстановленные исходники, не храним и не используем их сами в своих целях.

9. Работаете ли вы с юридическими лицами?

Да, мы работаем с юридическими лицами в качестве самозанятого (НПД). Выдаем чек от самозанятого после оплаты. Другие документы нам не нужны. Если вам нужен договор для бухгалтерии, можем оформить только после оплаты, есть пример договора и акта: договор, акт

Задать свой вопрос: RussianSemiResearch@ya.ru

Как считать программу с микроконтроллера

Загрузка. Пожалуйста, подождите.

• Авто
• Измерительная техника
• Источники питания
• Компьютер
• Устройства для дома
• Световые эффекты
• Часы/Таймеры
• Прочее

• COM программаторы
• LPT программаторы
• USB программаторы
• Остальное

О сайте:

Pic.Rkniga.ru — Сайт как для начинающих, так и для опытных радиолюбителей, разрабатывающих свои устройства на популярных PIC микроконтроллерах. Здесь можно обмениваться сообщениями на форуме, а также добавлять на сайт статьи и схемы своих устройств.

Меню сайта

Главная Форум Статьи Справочник Литература Схемотехника

Как считать программу с микроконтроллера

Срок выполнения заказа для проверенных микросхем 2-5 рабочих дней.

Также осуществляем исследование защиты микроконтроллеров отсутствующих в нашей базе знаний.

Порядок предоставления услуг:

Вариант 1

1. Заказчик, предварительно связавшись с нами, отсылает нам микроконтроллер, микропрограмму которого необходимо считать. 2. После успешного считывания микропрограммы мы предоставляем для предварительного ознакомления половину микропрограммы (содержимое нечетных байт). 3. После оплаты услуги заказчиком, ему отдается вся программа.

Вариант 2

1. Заказчик, предварительно связавшись с нами, отсылает нам микроконтроллер (его можно пометить царапиной на корпусе), микропрограмму которого необходимо считать, и один пустой микроконтроллер. 2. После успешного считывания микропрограммы мы записываем ее в пустой микроконтроллер с установкой защиты от чтения и отсылаем его заказчику на проверку. 3. После оплаты услуги заказчиком, ему отдается вся программа.

Вариант 3

1. Заказчик, предварительно отсылает нам тестовый микроконтроллер (аналогичный вскрываемому) с известной ему прошивкой, микропрограмму которого мы считываем и отдаем ее часть заказчику на проверку совпадения с известной. 2. После того, как заказчик убедился в правильности считывания, он отправляет нам уже требуемый для считываний микроконтроллер, либо он мог быть отправлен сразу с тестовым микроконтроллером. 3. После оплаты услуги заказчиком, ему отдается программа из требуемого микроконтроллера.

Прим.: Мы не несем ответственности за неудачное считывание. После считывания микросхема становится неработоспособной и возврату заказчику не подлежит.

По желанию заказчика восстанавливаем исходный текст программы и алгоритм на языке Си или Ассемблер из считанной микропрограммы любого контроллера.

Предоставляем услугу установки дополнительной трехуровневой защиты микросхем от чтения .

1-й уровень — защита от вскрытия.

2-й уровень — скрытый внутрикорпусной обрыв ножки используемой программатором для чтения.

3-й уровень — скрытое внутрикристальное удаление логики управления ножкой используемой для чтения.

* Ножку микросхемы заказчик может выбрать любую на свое усмотрение. Ножка должна быть запрограммирована на ввод.

** Заказчик может выбрать необходимый ему набор уровней защиты.

Расчет цены в зависимости от уровней защиты, количества и типа корпуса микросхем:

*** Микросхема может быть любой от любого производителя. Список исследованных микросхем (база знаний) к данной услуге отношения не имеет.

Осуществляем копирование печатных плат (ПП) , а также восстановление схем и полной документации для производства ПП . Размер ПП и количество слоев не ограниченны.