實用的PCB級硬件逆向的基礎技術

本文介紹一些實用的PCB級硬件逆向的基礎技術，可用于研究者和白帽團體分析未知的硬件。SEC Consult運營的硬件安全專用實驗室是SEC Consult安全實驗室的一部分。下面展示的研究只是硬件實驗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備統治的世界中。每個人都可能生活在各種各樣的窺探、監控中。受安全漏洞影響的路由器、網絡攝像頭、智能手機和其他嵌入式設備，是極易被攻擊的。最近爆發的Mirai病毒事件和其他LoT惡意軟件更加說明了這一點。無論是出于好奇還是應顧客要求進一步提高產品的安全性，想要深度審計該類設備的固件，我們都需要拆卸下來，好找到調試接口。只有通過對系統進行調試和運行，才能揭示其中的隱秘之處。由于該過程具有一定的破壞性，故通常會對設備造成損壞。因此，要想進行深入的分析，僅準備一臺設備是不夠的！

如何從熟知的設備開始？

為了節省昂貴的嵌入式分析費用，一個簡單快捷方法是替換固件。大型公司很容易在引進大批IoT設備之前委托安全咨詢公司對該產品的內置固件進行測試，以此最大程度地降低系統的安全風險。不過，對用戶和業余愛好者來說，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的）更加出色，但在安全性方面，確實如此。當我們在完成對已知設備的安全審計的任務時，硬件分析的部分通常簡化為在網上的相關論壇（通常是OpenWRT Wiki）尋找相關資料。

硬件黑客——識別無文檔設備的調試接口

要對一個完全未知的普通設備刷寫固件，簡直就是一個難以完成的任務。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支持的其他設備上。為了識別該SoC的引腳，我們將它接上專用電源。打開設備的外殼，便是PCB板了。我們第一個目的是串行連接到設備，以獲得shell或至少訪問到引導裝載程序。

圖：Belkin F9 K1106as PCB圖及其不同模塊

要識別金屬防護罩保護的模塊，最簡單的辦法是拆掉防護罩。

圖：用鉗子打開靜電防護罩

僅為了逆向分析出隱藏在PCB板上的調試引腳接口，我們不必將全部的防護罩拆除。借助暴露在PCB上的UART接口（譯者注：通用異步收發器，詳見百度百科）可以實現最初的調試，因為把UART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，很容易就可以辨認出UART，它只有兩個針腳，接收端及發送端。進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PCB時預留的。

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

那JTAG（譯者注：聯合測試工作組，詳見百度百科）在哪呢？該標準允許開發者或有經驗的黑客輕易地控制CPU、在運行階段調試SoC和對flash進行讀取和編程以及運行自檢測試。這個問題可以如此作答：用JTAG暴力工具。SEC Consult開發的工具（包括硬件和軟件）附帶有該功能，當然，網絡上也有許多用于該目的的工具。由于有效的調試針腳為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安全實驗室開發的硬件分析工具“SEC Xtractor”

經過暴力檢測后，終于找出了針腳！為了保持完整性，也標記了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JTAG

連接到OpenOCD的請求給出了如下結果：

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標簽為BCM5358UB0KFBG。現在，我們有更多的了解了——不過是針對該具體的設備；JTAG接口可以用來控制芯片及對系統底層的訪問。

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。花幾分鐘用flashrom和FT2322H即可讀取出其中的內容。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，置于轉接器上并啟動flashrom：

圖：用flashrom讀取SPI存儲器

轉儲文件包括整個程序存儲器和暫存數據（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。通過調用“binwalk-Adump.bin”，得到許多的“MIPSEL”（MIPS little endian）指令，這讓我們不禁假設：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，更具挑戰性的NAND和NOR flash芯片，由于其復雜的接口、狹小的封裝和數目眾多的引腳，操作起來甚是困難。

通過IoT Inspector對轉儲文件進行初步分析顯示，該固件存在一些基本的安全風險，同時也獲取到該設備使用的軟件信息。由于我們分析的是老舊設備，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的設備進行逆向。為此，大多數情況下我們可以用熱風槍將BGA封裝的芯片拆焊下來。

圖：熱風槍返修臺

圖：拆下SoC后的Belkin PCB

根據SoC的引腳連接情況，結合datasheet的相關資料以及針腳對地/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網站收集有計算機硬件的相關信息，當然也包括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現，芯片的引腳功能都是大同小異。

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

硬件黑客——來自中國的供應鏈

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