RFID芯片的攻擊技術(shù)分析及安全設(shè)計(jì)策略

       本文以采用磁耦合和CMOS工藝的RFID產(chǎn)品為例，簡(jiǎn)要介紹了此類芯片的構(gòu)成，在列舉各種破壞性/非破壞性攻擊手段的基礎(chǔ)上，從軟/硬件角度分析現(xiàn)有的各種安全措施如何在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)這些攻擊，或使攻擊變得難以實(shí)施，以及如何避免不良的設(shè)計(jì)。

       以前，人們普遍認(rèn)為由于采用了各種復(fù)雜的認(rèn)證算法、密鑰等來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)免受未獲授權(quán)使用，IC卡具有磁卡無(wú)法比擬的安全性能。但在上個(gè)世紀(jì)90年代中期，大部分的IC卡處理器都被成功地實(shí)施了反向工程，因此這個(gè)看法有了很大的改變。除了采用更新的設(shè)計(jì)技術(shù)以外，更重要的是在IC卡芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中考慮抗攻擊措施，以保護(hù)重要的數(shù)據(jù)不被非法使用。  

             

                        圖1：RFID芯片結(jié)構(gòu)及工作模式 

       非接觸IC卡(RFID)的出現(xiàn)是智能卡發(fā)展中的重要里程碑：它通過(guò)磁耦合或微波的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)能量與信號(hào)的非接觸傳輸，從而有效地解決了接觸式智能卡使用機(jī)械電氣觸點(diǎn)產(chǎn)生的靜電擊穿、機(jī)械磨損、易受污染和潮濕環(huán)境影響等問(wèn)題，被認(rèn)為是身份識(shí)別、公交票據(jù)、物流等方面的重要替代技術(shù)。沒(méi)有了裸露的電氣接觸節(jié)點(diǎn)，RFID和接觸式IC卡產(chǎn)品相比，在安全性方面也有一定的提升，但是它沒(méi)有改變智能卡使用認(rèn)證算法和密鑰等安全手段的模式，因此并沒(méi)有從本質(zhì)上解決安全問(wèn)題。需要借鑒接觸式智能卡安全設(shè)計(jì)上的成熟經(jīng)驗(yàn)，才能避免重大技術(shù)失誤。 

       從結(jié)構(gòu)上講，RFID是一個(gè)包含射頻模擬前端(RF AFE)和基帶信號(hào)處理兩大部分的單片集成電路(見(jiàn)圖1)?；鶐到y(tǒng)包括控制邏輯(甚至微處理器)和必要的存儲(chǔ)器，AFE部分是RFID的能量與信號(hào)接口，提供片上基帶系統(tǒng)工作所需的電源和時(shí)鐘等輔助信號(hào)，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送功能。由于RF AFE屏蔽了智能卡片上的電源、時(shí)鐘、上電復(fù)位(POR)等信號(hào)與外界的聯(lián)系，在一定程度上減少了攻擊實(shí)施的點(diǎn)，與接觸式智能卡相比在安全性方面有一定的提升。 

       智能卡芯片攻擊技術(shù)及應(yīng)對(duì)措施 

       根據(jù)是否破壞智能卡芯片的物理封裝可以將智能卡的攻擊技術(shù)分為兩大類：破壞性攻擊和非破壞性攻擊。 

       破壞性攻擊和芯片反向工程在最初的步驟上是一致的：使用發(fā)煙硝酸去除包裹裸片的環(huán)氧樹脂；用丙酮/去離子水/異丙醇完成清洗；氫氟酸超聲浴進(jìn)一步去除芯片的各層金屬。在去除芯片封裝之后，通過(guò)金絲鍵合恢復(fù)芯片功能焊盤與外界的電氣連接，最后可以使用手動(dòng)微探針獲取感興趣的信號(hào)。對(duì)于深亞微米以下的CMOS產(chǎn)品，通常具有3層以上的金屬連線，為了解芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可能要逐層去除以獲得重構(gòu)芯片版圖設(shè)計(jì)所需的信息。在了解內(nèi)部信號(hào)走線的基礎(chǔ)上，聚焦離子束(FIB)修補(bǔ)技術(shù)甚至可用于將感興趣的信號(hào)連到芯片的表面供進(jìn)一步觀察。 

       非破壞性攻擊主要針對(duì)具有微處理器的產(chǎn)品，其手段主要包括軟件攻擊、竊聽(tīng)技術(shù)和故障產(chǎn)生技術(shù)。軟件攻擊使用微處理器的通用通訊接口，尋求安全協(xié)議、加密算法以及他們物理實(shí)現(xiàn)的弱點(diǎn)；竊聽(tīng)技術(shù)采用高時(shí)域精度的方法，分析電源接口在微處理器正常工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種電磁輻射的模擬特征；故障產(chǎn)生技術(shù)通過(guò)產(chǎn)生異常的應(yīng)用環(huán)境條件，使處理器產(chǎn)生故障，從而獲得額外的訪問(wèn)途徑。  

              

          圖2：NAND門驅(qū)動(dòng)一個(gè)反向器的光學(xué)照片(包含金屬層和去掉金屬層)。 

       智能卡的攻擊一般從破壞性的反向工程開(kāi)始，其結(jié)論可以用于開(kāi)發(fā)廉價(jià)和快速的非破壞性攻擊手段，這是最常見(jiàn)的最有效的智能卡攻擊模式之一。 

       1. 破壞性攻擊及其防范 

       a. 版圖重構(gòu) 

       破壞性攻擊的一個(gè)重要步驟是重構(gòu)目標(biāo)芯片的版圖。通過(guò)研究連接模式和跟蹤金屬連線穿越可見(jiàn)模塊(如ROM、RAM、EEPROM、ALU、指令譯碼器等)的邊界，可以迅速識(shí)別芯片上的一些基本結(jié)構(gòu)，如數(shù)據(jù)線和地址線。 

       芯片表面的照片只能完整顯示頂層金屬的連線，而它是不透明的。借助于高性能的成像系統(tǒng)，可以從頂部的高低不平中識(shí)別出較低層的信息，但是對(duì)于提供氧化層平坦化的CMOS工藝，則需要逐層去除金屬才能進(jìn)一步了解其下的各種結(jié)構(gòu)。因此，提供氧化層平坦化的CMOS工藝更適合于包括RFID在內(nèi)的智能卡加工。 

       圖2是一個(gè)NAND門驅(qū)動(dòng)一個(gè)反向器的光學(xué)版圖照片，類似于該圖的不同層照片對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的人無(wú)異于電路圖。 

       對(duì)于RFID設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，射頻模擬前端需要采用全定制方式實(shí)現(xiàn)，但是常采用HDL語(yǔ)言描述來(lái)實(shí)現(xiàn)包括認(rèn)證算法在內(nèi)的復(fù)雜控制邏輯，顯然這種采用標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)綜合的實(shí)現(xiàn)方法會(huì)加速設(shè)計(jì)過(guò)程，但是也給反向工程為基礎(chǔ)的破壞性攻擊提供了極大的便利，這種以標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可以使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)版圖重構(gòu)。因此，采用全定制的方法實(shí)現(xiàn)RFID的芯片版圖會(huì)在一定程度上加大版圖重構(gòu)的難度。 

       版圖重構(gòu)的技術(shù)也可用于獲得只讀型ROM的內(nèi)容。ROM的位模式存儲(chǔ)在擴(kuò)散層，用氫氟酸(HF)去除芯片各覆蓋層后，根據(jù)擴(kuò)散層的邊緣就很容易辨認(rèn)出ROM的內(nèi)容(圖3)。 

       基于微處理器的RFID設(shè)計(jì)中，ROM中可能不包含任何加密的密鑰信息，但是它的確包含足夠的I/O、存取控制、加密程序等信息，這些在非破壞性攻擊中尤為重要。因此，對(duì)于使用微處理器的RFID設(shè)計(jì)，推薦優(yōu)先使用FLASH或EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器存放程序。  

               

                      圖3：去除金屬和POLY連線的NOR型ROM照片。 

       b. 存儲(chǔ)器讀出技術(shù) 

       對(duì)于存放密鑰、用戶數(shù)據(jù)等重要內(nèi)容的非易失性存儲(chǔ)器，它們不能通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)照片獲得其中的信息。在安全認(rèn)證過(guò)程中，至少訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)區(qū)一次，因此，可以使用微探針監(jiān)聽(tīng)總線上的信號(hào)獲取重要數(shù)據(jù)。對(duì)于良好的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單重復(fù)認(rèn)證還不足以訪問(wèn)存儲(chǔ)器所有的關(guān)鍵位置。例如，在同一個(gè)卡中使用不同的加密密鑰和加密算法，然后在它們之間每隔幾周就切換一次，芯片的算法和密鑰的存放區(qū)域在沒(méi)有被廣播呼叫激活以前不能被處理器控制等等，從而使早期的被動(dòng)監(jiān)測(cè)總線難以發(fā)現(xiàn)這些秘密。這些接觸智能卡IC的經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用于RFID設(shè)計(jì)中。 

       一些文獻(xiàn)提到，為了保證存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的完整性，需要在每次芯片復(fù)位之后計(jì)算并檢驗(yàn)一下存儲(chǔ)器的校驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)這種做法給攻擊提供了快速訪問(wèn)全部存儲(chǔ)器的手段。 

       在使用帶微處理器的RFID中，還需要考慮軟件設(shè)計(jì)人員為提高代碼效率濫用CPU部件(如地址計(jì)數(shù)器)的行為所導(dǎo)致的安全問(wèn)題。程序計(jì)數(shù)器在每個(gè)指令周期都自動(dòng)增量，如果被用于存儲(chǔ)器讀寫的地址發(fā)生器，攻擊中只需防止處理器執(zhí)行JUMP、CALL和RETURN等指令擾亂正常的讀順序即可。即稍微用激光切斷一些電路連接，改動(dòng)指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器電路即可實(shí)現(xiàn)完全訪問(wèn)存儲(chǔ)器的目的。 

       頂層探測(cè)器網(wǎng)格是有效防止微探針獲取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的重要手段之一，充分利用深亞微米CMOS技術(shù)提供的多層金屬，在重要的信號(hào)線頂層構(gòu)成探測(cè)器網(wǎng)格能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)短路和斷路。當(dāng)有電時(shí)，它能防止激光切割或選擇性的蝕刻去獲取總線的內(nèi)容。根據(jù)探測(cè)器輸出，芯片可立即觸發(fā)電路將非易失性存儲(chǔ)器中的內(nèi)容全部清零。這些網(wǎng)格對(duì)于其下的各層金屬連線重構(gòu)也有影響，因?yàn)槲g刻不是均勻的，上層金屬的模式在下層可見(jiàn)，會(huì)給版圖的自動(dòng)重構(gòu)帶來(lái)很多麻煩。手動(dòng)探針的目標(biāo)尺寸一般在1微米左右，尖端小于0.1微米的探針臺(tái)價(jià)格在幾十萬(wàn)美元之上，且極難獲得。一個(gè)精心設(shè)計(jì)的網(wǎng)格將使手動(dòng)微探針攻擊難以實(shí)施，一般的FIB修補(bǔ)技術(shù)也難以逾越。   

                

                          圖4：RFID的接觸法測(cè)試原理 

       非破壞性攻擊及其防范 

       非破壞性攻擊主要針對(duì)具有微處理器的產(chǎn)品而言。微處理器本質(zhì)上是成百上千個(gè)觸發(fā)器、寄存器、鎖存器和SRAM單元的集合，這些器件定義了處理器的當(dāng)前狀態(tài)，結(jié)合組合邏輯則可知道下一時(shí)鐘的狀態(tài)。許多類似系統(tǒng)的模擬效應(yīng)可用于非侵入式的攻擊，其中： 

       1. 每個(gè)晶體管和連線都具有電阻和電容特性，其溫度、電壓等特性決定了信號(hào)的傳輸延時(shí)。由于生產(chǎn)工藝參數(shù)的分散性，這些數(shù)值在單個(gè)芯片，或同種產(chǎn)品的不同芯片上差異很大。 

       2. 觸發(fā)器在很短的時(shí)間間隔內(nèi)采樣并和閾值電壓比較(與電源相關(guān))。采樣的時(shí)間間隔相對(duì)于時(shí)鐘邊沿是固定的，但不同的觸發(fā)器之間可能差異很大。 

       3. 觸發(fā)器僅在組合邏輯穩(wěn)定后的前一狀態(tài)上建立新的穩(wěn)態(tài)。 

       4. 在CMOS門的每次翻轉(zhuǎn)變化過(guò)程中，P和N管都會(huì)開(kāi)啟一個(gè)短暫的時(shí)間，從而在電源上造成一次短路。沒(méi)有翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻，則電源電流很小。 

       5. 當(dāng)輸出改變時(shí)，電源電流會(huì)根據(jù)負(fù)載電容充放電變化。 

       和接觸式IC卡不同的是，攻擊RFID的黑客不能完全控制其電源和時(shí)鐘線，理論上RFID針對(duì)非破壞性攻擊的安全性能有所改善，但是實(shí)際情形可能并非如此，仍會(huì)面臨一些危險(xiǎn)。常見(jiàn)的攻擊手段有電流分析攻擊和故障攻擊。 

       1. 電流分析攻擊 

       根據(jù)電流分析攻擊實(shí)施的特點(diǎn)，可分為簡(jiǎn)單電源攻擊(SPA)和差分電源攻擊。  

           

                         圖5： 兩種不同的測(cè)試態(tài)控制方式 

       原則上，RFID的電源是集成在AFE的內(nèi)部，似乎遠(yuǎn)離了電流分析的危險(xiǎn)，然而實(shí)際上并非如此。圖4顯示了RFID接觸法測(cè)試的原理圖：通過(guò)在RFID天線和串聯(lián)的分壓電阻兩端直接加載符合規(guī)格的交流信號(hào)，RFID負(fù)載反饋信號(hào)可以百倍于無(wú)線模式下的信號(hào)強(qiáng)度直接疊加在加載的交流信號(hào)上。由于芯片的功耗變化與負(fù)載調(diào)制在本質(zhì)上是相同的，因此，如果AFE的電源設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，RFID微處理執(zhí)行不同內(nèi)部處理的狀態(tài)可能在串聯(lián)電阻的兩端交流信號(hào)上反映出來(lái)。 

       對(duì)于RFID而言，功耗是芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)心的重要問(wèn)題，串聯(lián)方案的效率更高，更適合集成電路設(shè)計(jì)。但是就安全而言，并聯(lián)方案是更理想的選擇：通過(guò)并聯(lián)泄放電路將電源幅度和紋波的變化控制在盡可能小的范圍內(nèi)，使電源電流消耗波動(dòng)抑制在整流電路之后。這樣天線兩端的交流信號(hào)不能反應(yīng)任何內(nèi)部基帶系統(tǒng)(主要是微處理器)狀態(tài)的差異。 

       2. 故障攻擊 

       通過(guò)故障攻擊可以導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)觸發(fā)器位于病態(tài)，從而破壞傳輸?shù)郊拇嫫骱痛鎯?chǔ)器中的數(shù)據(jù)。在所知的CPU智能卡非破壞性攻擊中，故障攻擊是實(shí)際應(yīng)用中最有效的技術(shù)之一。當(dāng)前有三種技術(shù)可以可靠地導(dǎo)致觸發(fā)器病態(tài)且影響很少的機(jī)器周期：瞬態(tài)時(shí)鐘、瞬態(tài)電源以及瞬態(tài)外部電場(chǎng)。 

       通過(guò)簡(jiǎn)單地增加或降低時(shí)鐘頻率一個(gè)或多個(gè)半周期可以實(shí)施時(shí)鐘故障，這樣部分觸發(fā)器會(huì)在合法的新?tīng)顟B(tài)到來(lái)之前采樣它們的輸入。時(shí)鐘故障有效的攻擊通常和電源故障結(jié)合在一起，在接觸式智能卡中通過(guò)組合時(shí)鐘和電源波動(dòng)，已經(jīng)可以很可靠地增加程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容而不影響處理器的其它狀態(tài)。這樣，智能卡內(nèi)的任意指令序列都可以被黑客執(zhí)行，而程序員在軟件編寫中并沒(méi)有什么很好的應(yīng)對(duì)措施。 

       大多數(shù)RFID的時(shí)鐘、電源都是使用天線的交流信號(hào)整形得到的，因此通過(guò)改變交流信號(hào)諧波的幅度、對(duì)稱性、頻率等參數(shù)可以實(shí)施時(shí)鐘-電源故障攻擊。借助于RFID接觸測(cè)試設(shè)備中的數(shù)字直接合成交流信號(hào)技術(shù)，很容易產(chǎn)生時(shí)鐘-電源故障攻擊所需的波形。 

       RFID產(chǎn)品為了有效抵御時(shí)鐘故障攻擊，除了采用時(shí)鐘探測(cè)器以外，更重要的是嚴(yán)格限制RFID設(shè)計(jì)的工作頻率范圍、載頻的諧波品質(zhì)因素、對(duì)稱性等指標(biāo)。因此，從安全角度來(lái)說(shuō)，并非RFID對(duì)機(jī)具適應(yīng)能力越強(qiáng)越好。 

       潛在的故障技術(shù)仍需進(jìn)一步探索，如通過(guò)將金屬探針置于處理器幾百個(gè)微米高度的時(shí)候，在幾個(gè)毫秒內(nèi)施加幾百伏的電壓，得到的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠改變附近的晶體管閾值電壓。這些技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)對(duì)措施還有待進(jìn)一步的研究。 

       RFID的測(cè)試態(tài)及保護(hù) 

       對(duì)于一般意義的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈條來(lái)說(shuō)，需要將不良的芯片在晶圓測(cè)試階段剔除以減少后端加工工序中不必要的浪費(fèi)，RFID芯片也不例外。根據(jù)RFID芯片的特點(diǎn)，晶圓測(cè)試內(nèi)容包括：RF性能測(cè)試、邏輯功能測(cè)試和存儲(chǔ)器測(cè)試。和普通芯片一樣，如果借助于芯片應(yīng)用功能來(lái)進(jìn)行片上邏輯和存儲(chǔ)器測(cè)試，則測(cè)試成本將大幅增加。通常采取等效測(cè)試原理設(shè)計(jì)額外的測(cè)試態(tài)來(lái)快速完成。由于測(cè)試態(tài)提供了快速、全面訪問(wèn)存儲(chǔ)器的機(jī)制，因此有必要在晶圓測(cè)試完成后，將測(cè)試態(tài)永久關(guān)閉。 

       圖5a是在接觸式智能卡芯片的發(fā)展過(guò)程中曾大量采用的測(cè)試態(tài)控制方式：使用額外的I/O管腳和芯片內(nèi)部電路相連，該連線通過(guò)劃片槽，這樣芯片劃斷后就不能通過(guò)簡(jiǎn)單控制該管腳進(jìn)入測(cè)試態(tài)。由于FIB修補(bǔ)技術(shù)的出現(xiàn)，這個(gè)手段已經(jīng)過(guò)時(shí)。圖5b是最有潛力的替代方案：在劃片槽和鄰近的芯片中設(shè)計(jì)部分控制電路，從而得到不可逆的測(cè)試態(tài)控制手段。 

       本文總結(jié) 

       本文對(duì)RFID芯片設(shè)計(jì)安全從破壞性、非破壞性攻擊以及測(cè)試態(tài)控制三個(gè)方面作了簡(jiǎn)單探討，通過(guò)與接觸式智能卡芯片安全設(shè)計(jì)比較，給出一些應(yīng)對(duì)的設(shè)計(jì)措施。然而仍然有很多安全設(shè)計(jì)措施不能一一列舉，如用于對(duì)付功率分析的電流調(diào)節(jié)器和噪聲負(fù)載。我國(guó)第二代居民身份證即將實(shí)施，這將是世界上最大的RFID項(xiàng)目，考慮其芯片設(shè)計(jì)安全問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。