fpga系列產(chǎn)品的漏洞機(jī)理分析

各位親愛的FPGAer老鐵，又到了令人愉悅的周五了，作為回歸后的第一篇文章，小弟我徹夜難眠，一直在想寫什么精彩的內(nèi)容才能對(duì)得起自己吹的牛皮。真的是翻來覆去，思緒萬千，翻開有道、印象、github、PornHxx，最終決定還是給大家講一個(gè)大家都很關(guān)心的事情——《如何守住自己的秘密》。

很多小伙伴就會(huì)問了，是什么秘密呀，《不能說的秘密》還是《維多利亞的秘密》，快點(diǎn)快點(diǎn)，小馬扎已經(jīng)備好了，我要吃瓜?。?！

我相信作為在座的每一位FPGAer都是一名優(yōu)秀的時(shí)間管理大師，畢竟時(shí)序約束那點(diǎn)破事（點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)過2000，馬上安排），咱不是天天在玩嘛。我覺得既然咱們花了那么多時(shí)間管理的設(shè)計(jì)，如何能保證它的秘密更應(yīng)該值得深入研究。

咱們?nèi)A夏子弟個(gè)頂個(gè)的聰明，個(gè)頂個(gè)的比別人努力，如今這么卷的行業(yè)賽道里，如何保證自己辛辛苦苦堆出來的優(yōu)秀設(shè)計(jì)不被別人剽竊，當(dāng)然了，更不能讓別人反向出咱自己寫的垃圾代碼，不然多丟面呀，以后還混不混了。

今天我就給大家介紹一下和一位FPGA行業(yè)大牛討論關(guān)于加密的內(nèi)容，整理出來分享給大家，希望大家都能打起100萬的精神，守衛(wèi)自己的秘密花園。
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設(shè)計(jì)加密簡(jiǎn)介

很多小伙伴對(duì)于加密的概念都不陌生，小到我們?nèi)粘Ｊ褂玫你y行卡加密，手機(jī)機(jī)密（密碼、生物特征加密）、門鎖加密，大到國(guó)家機(jī)密等，無一不是加密技術(shù)保護(hù)著我們個(gè)人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

今天我們主要介紹一下關(guān)于FPGA加密技術(shù)的介紹：

把自己的設(shè)計(jì)封裝成ip，提供license的方式保護(hù)自己的設(shè)計(jì)；

把自己的設(shè)計(jì)封裝成網(wǎng)表，保護(hù)自己的源代碼設(shè)計(jì)；

把自己的設(shè)計(jì)代碼故意改的亂七八糟，增加閱讀難度和可行性（惡心自己也惡心別人），主打一個(gè)刺激。

為了保護(hù)自己辛辛苦苦，熬夜掉頭發(fā)搞出來的設(shè)計(jì)，能使用的手段必須統(tǒng)統(tǒng)使出來。但是，你以為這樣就安全了嗎？

當(dāng)初小弟我也以為自己的設(shè)計(jì)經(jīng)過上述的操作，基本萬無一失，誰來都無法剽竊我的設(shè)計(jì)，除非給的足夠多！自從和大牛聊完以后，發(fā)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)在FPGA芯片設(shè)計(jì)大牛眼里，我在裸奔！

大牛給我說，其實(shí)對(duì)于前面說到的任何一種加密內(nèi)容，最后都會(huì)落盤到bit位流中，對(duì)于他們FPGA芯片設(shè)計(jì)人員，有這份位流已經(jīng)足夠破解我的設(shè)計(jì)。

所以，為了防止FPGA泄密，保護(hù)最終的bit位流才是關(guān)鍵所在。

大牛給我分享了一個(gè)鏈接，我這才知道，原來國(guó)際知名大廠AMD-XILINX的7系列以及之前的FPGA系列產(chǎn)品，在bit位流安全性存在嚴(yán)重的缺陷和漏洞，今天我就帶著大家深度扒一扒。

1 存在StarBleed硬件漏洞

2020年4月，來自德國(guó)的研究者在論文“The Unpatchable Silicon A Full Break of the Bitstream Encryption of Xilinx 7-Series FPGAs”中披露了一個(gè)名為“StarBleed”的漏洞，它存在于賽靈思的Virtex、Kintex、Artix、Spartan等全部7系列FPGA中。通過這個(gè)漏洞，攻擊者可以同時(shí)攻破FPGA配置文件的加密和鑒權(quán)，由此可以獲得用戶的FPGA設(shè)計(jì)同時(shí)可隨意修改FPGA中實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。嚴(yán)重的是，這個(gè)漏洞并不能通過軟件補(bǔ)丁的方式修復(fù)。漏洞的發(fā)現(xiàn)者已于2019年9月將這個(gè)漏洞知會(huì)了賽靈思，并在第二天就獲得了賽靈思的承認(rèn)。 該漏洞攻擊的成本非常低，無需特別深?yuàn)W難懂的專業(yè)知識(shí)，一般的硬件工程師就能按照論文完成破解。AMD-XILINX主流產(chǎn)品XC7K325T僅三小時(shí)即能完成的全位流破解。

2 不抗DPA攻擊

AMD-XILINX FPGA對(duì)加密位流的解密方案采用了CBC-AES，在實(shí)現(xiàn)中并沒有加入側(cè)信道的防護(hù)措施，因此理論上就存在被側(cè)信道攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。早在2011年，Moradi（StarBleed漏洞的第二發(fā)現(xiàn)者）等就在賽靈思 Virtex-II上使用側(cè)信道攻擊獲得了位流的加密密鑰。接下來，他又使用功耗側(cè)信道攻擊了賽靈思 Virtex-4、Virtex-5以及Altera Stratix II的加密位流，并獲得了加密密鑰。2016年，他又使用電磁側(cè)信道攻擊方法，成功攻擊了Virtex-5、Spartan-6、Kintex-7和Arix-7 由于大牛是國(guó)內(nèi)某FPGA大廠研發(fā)中心的核心設(shè)計(jì)人員，在小弟我三番五次，不要臉的請(qǐng)求下，給我展示了國(guó)內(nèi)某安全實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)完成的XILINX XC7K325T的DPA側(cè)信道攻擊。 該攻擊方法為采用Langer 的電磁探頭采集EM信號(hào)，采集EM信號(hào)需要對(duì)FPGA進(jìn)行開蓋，去除表面金屬封裝，發(fā)現(xiàn)在FPGA芯片邊緣的電容上可以找到較好信噪比的波形，下圖是實(shí)際的采集位置和使用的U5-2的EM Probe。

測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

FPGA芯片開蓋（V4）

信號(hào)采集位置（K7）

上文給兄弟們介紹了AMD-XILINX的7系列以及之前的FPGA系列產(chǎn)品的漏洞機(jī)理，接下來給大家展示一波，DPA攻擊方法：

1）信號(hào)處理 使用U5-2 型號(hào)的EM探頭采集8萬條K7解密的曲線，采樣率1G，采樣數(shù)據(jù)FFT分析后進(jìn)行濾波處理。 取2000條曲線進(jìn)行平均，曲線如下：

在曲線下半部可以看到AES執(zhí)行的26個(gè)尖峰毛刺，非常明顯。 2）已知密鑰分析 通過已知密鑰分析，來定量密鑰與泄露的關(guān)系 3）選擇密鑰攻擊 4）攻擊結(jié)論： 本次實(shí)驗(yàn)，使用EM Probe采集Xilinx Virtex-4和Kintex-7系列的FPGA解密比特流過程的曲線（V4：需要1.25*8=10萬條左右；需要K7：15*8=120萬條左右），經(jīng)過信號(hào)處理后可以在黑盒測(cè)試條件下通過選擇密文的方式，對(duì)解密過程進(jìn)行CPA分析，從而恢復(fù)解密密鑰。

3 密鑰存儲(chǔ)方式不安全

AMD-XILINX FPGA密鑰存儲(chǔ)支持兩種模式： 1）BBRAM電池供電存儲(chǔ) 已有公開文獻(xiàn)發(fā)表，可通過激光注入讀取BBRAM中保存的明文密鑰，且BBRAM需要電池供電，應(yīng)用可靠性大大降低。 ?

2）片上熔絲EFUSE存儲(chǔ) 同樣片上熔絲可通過簡(jiǎn)單的暴力逆向工程，獲得密鑰。

4 加密結(jié)束語

咱們說了這么多加密內(nèi)容和破解加密的方法，就是為了讓各位老鐵知悉，一旦讓別人竊取到FPGA密鑰，就可以輕松破解出明文的bit位流，自然而然的是有方法反向出咱這千辛萬苦設(shè)計(jì)出來的代碼，從而讓我們喪失商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和能動(dòng)性。

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加密寄語

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面對(duì)這么嚴(yán)重的FPGA位流安全漏洞，很多AMD-XILINX FPGA的忠實(shí)粉絲卻沒有任何怨言，不是店大欺客，而是2020前，真的沒法彌補(bǔ)，甚至無法替代。

話都到這份上了，各位FPGAers肯定會(huì)問，那這咋辦呢，如果有加密需求的設(shè)計(jì)，那這X家又沒有補(bǔ)丁可以把這個(gè)漏洞打上，這以后還能不能用他家的產(chǎn)品了。

萬水千山總是情，問問本編行不行，這兩年俺也不是白白下海的，隨著國(guó)產(chǎn)化的浪潮大趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)的FPGA廠家踏著集成電路法陣的浪潮來了，后續(xù)有機(jī)會(huì)可以找機(jī)會(huì)與他們交流，且看他們是如何解決加密問題！

編輯：黃飛

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