Разрушающие атаки

Итак, к этому типу атак принято относить такие способы компрометации смарт‑карт, которые сопровождаются вскрытием корпуса устройства. Публичное представление таких методов, применяемых в кракерском подполье, впервые, похоже, было сделано в 1996 году исследователями из Кембриджского университета Россом Андерсоном и Маркусом Куном в ходе Второго семинара USENIX по электронной коммерции. Еще более подробно эти технологии описаны в совместной статье Куна и Оливера Кеммерлинга 1999 года «Принципы конструирования защищенных процессоров смарт‑карт», а также в последующей докторской диссертации Куна, которая, правда, в отличие от первых двух статей в Интернете не опубликована. В самом кратком изложении суть этих работ примерно такова [АК96][КК99].

Типичный чиповый модуль смарт‑карты имеет тонкое пластиковое основание размером около квадратного сантиметра с контактными зонами с обеих сторон. Одна сторона модуля видна на самой смарт‑карте и контактирует со считывателем; кремниевая матрица приклеена к другой стороне основания, подсоединяясь с помощью тонких золотых или алюминиевых проводов. Та сторона пластины, где находится чип, покрыта эпоксидной смолой, там чиповый модуль вклеивается в карту. Вынуть чип из карты легко. Прежде это делали с помощью острого ножа или ланцета, срезая пластик тыльной стороны карты до тех пор, пока не покажется эпоксидная смола. Потом научились быстро вынимать чип, просто разогревая пластмассу до мягкого состояния. Далее удаляют эпоксидный слой, нанося несколько капель концентрированной азотной кислоты (» 98%). Прежде, чем кислота успевает растворить слишком много эпоксидного слоя и затвердеть, кислоту и смолу смывают ацетоном. Эта процедура повторяется от 5 до 10 раз, пока полностью не покажется кремниевая матрица. Если все было сделано аккуратно и соединительная проводка осталась неповрежденной, то чип остается полностью функциональным.

Полностью функциональный процессор смарт‑карты, пластиковый корпус которой удален для экспериментов с микропробником.

Следующим этапом, если процессор совершенно новый и неизвестный, становится создание карты его схем. Сейчас для этого обычно применяют оптический микроскоп и цифровую камеру, с помощью которых делают большую, размером несколько метров, мозаику из высокого разрешения снимков поверхности чипа. У большинства чипов имеется защитный поверхностный слой (пассивация) из оксида или нитрата кремния, который предохраняет их от излучений оборудования и диффузии ионов. Азотная кислота на него не действует, поэтому для его удаления специалисты используют сложный метод сухого травления. Но это не единственная возможность для доступа к поверхности. Другим методом, особенно когда схема в целом известна, является использование игл‑микропробников, которые с помощью ультразвуковой вибрации удаляют защитный слой непосредственно под точкой контакта. Кроме того, для локального удаления защитного слоя применяются лазерные резаки‑микроскопы, используемые в лабораториях клеточной биологии.

Описанная техника вскрытия успешно применяется любителями‑кракерами. Далее же вкратце будут описаны некоторые технологии, доступные хорошо оснащенным лабораториям, занимающимся изучением полупроводников. В мире сейчас насчитываются сотни таких лабораторий – в университетах и промышленных исследовательских центрах, к примеру. Имеется достоверная информация, что наиболее продвинутые кракеры арендуют эту технику и тщательно изучают новейшие промышленные технологии обратной инженерной разработки (подробнее об этом в следующем разделе «Возня в подполье, война на небесах»).

Микрозондирование чипа, извлеченного из смарт‑карты

В начале 1990‑х годов в Кавендишской лаборатории Кембриджа создана технология обратного восстановления схемы сложных кремниевых чипов, позволяющая аккуратно снимать слои микросхемы один за другим. Одно из примененных там новшеств – техника показа примесных N и Р слоев на основе эффекта Шоттки: тонкая пленка из золота или палладия накладывается на чип, образуя диод, который может быть виден в электронном луче. Изображения последовательных слоев чипа вводятся в компьютер, специальное программное обеспечение очищает первоначально нечеткие образы, выдает их ясное представление и распознает стандартные элементы чипа. Данная система была протестирована на процессоре Intel 80386 и ряде других устройств. Работа над восстановлением 80386 заняла две недели, причем для правильной реконструкции обычно требуется около шести образцов чипа. Результатом работ могут быть диаграммы масок и схем или даже список библиотечных ячеек, из которых чип был сконструирован.

В условиях, когда конструкция и принципы функционирования чипа уже известны, существует очень мощная технология, разработанная в ШМ для исследования чипа в работе даже без удаления защитного слоя. Для измерения рабочих характеристик устройства над ним помещают кристалл ниобата лития. Показатель преломления этой субстанции изменяется при изменении электрического поля, и потенциал находящегося под ней кремния может считываться с помощью ультрафиолетового лазерного луча, проходящего через кристалл под скользящим углом наклона. Возможности этой технологии таковы, что можно считывать сигнал в 5 В и с частотой до 25 МГц. По сути дела, это стандартный путь для хорошо оснащенных лабораторий при восстановлении криптоключей в чипах, конструкция которых известна.

Исследование техники разрезания чипа ведет к более общей (и сравнительно меньше изученной) проблеме – атакам, которые включают в себя активную модификацию исследуемого чипа, а не просто пассивное его исследование. К примеру, есть все основания полагать, что некоторые успешные атаки пиратов на систему платного ТВ проводились с использованием рабочих станций с фокусированием ионного пучка (Focused Ion Beam workstation – FIB). Такой аппарат может вырезать траки в металлизированном слое чипа и формировать новые траки или изолирующие слои. Кроме того, FIB может имплантировать ионы для изменения толщины слоя кремния и даже строить сквозные переходы к проводящим структурам в нижележащих слоях чипа. Такие аппараты стоят несколько миллионов долларов, но, как показывает практика, не слишком богатые злоумышленники арендуют дорогое оборудование на некоторое время у крупных полупроводниковых компаний.

Снимок электронным микроскопом, демонстрирующий результаты обработки чипа сфокусированным ионным пучком (FIB)

Обеспеченные таким инструментарием атаки на смарт‑карты становятся более простыми и мощными. Типичная атака заключается в отсоединении почти всех процессов ЦПУ от шины, кроме памяти EEPROM и той компоненты ЦПУ, что генерирует доступ по чтению. Например, программный счетчик может быть оставлен подсоединенным таким образом, что области памяти становятся по порядку доступны на считывание по мере подачи тактовых импульсов.

Как только это сделано, атакующему требуется лишь одна игла микропробника для считывания всего содержимого EEPROM. В результате процесс анализа становится более легким, чем при пассивном исследовании, когда обычно анализируется только трасса выполнения. Также это помогает избежать чисто механических трудностей одновременной работы с несколькими иглами‑микропробниками на линиях шины, ширина которых составляет лишь несколько микрон.

Program Counter load

load low high