嵌入式设备PCB级逆向基础技术

前言

本文介绍一些实用的PCB级硬件逆向的基础技术，可用于研究者和白帽团体分析未知的硬件。SEC Consult运营的硬件安全专用实验室是SEC Consult安全实验室的一部分。

下文展示的研究只是硬件实验室众多研究中的冰山一角。

今天，我们生活在一个被嵌入式设备统治的世界中。每个人都可能生活在各种各样的窥探、监控中。受安全漏洞影响的路由器、网络摄像头、智能手机和其他嵌入式设备，是极易被攻击的。最近爆发的Mirai病毒事件和其他LoT恶意软件更加说明了这一点。无论是出于好奇还是应顾客要求进一步提高产品的安全性，想要深度审计该类设备的固件，我们都需要拆卸下来，好找到调试接口。只有通过对系统进行调试和运行，才能揭示其中的隐秘之处。由于该过程具有一定的破坏性，故通常会对设备造成损坏。因此，要想进行深入的分析，仅准备一台设备是不够的！

如何从熟知的设备开始？

为了节省昂贵的嵌入式分析费用，一个简单快捷方法是替换固件。大型公司很容易在引进大批IoT设备之前委托安全咨询公司对该产品的内置固件进行测试，以此最大程度地降低系统的安全风险。不过，对用户和业余爱好者来说，选择并不多，他们能安装的固件多来源于第三方如OpenWRT。尽管这些固件的性能不见得一定比原生的（原生固件是针对该专有芯片指令集开发的）更加出色，但在安全性方面，确实如此。当我们在完成对已知设备的安全审计的任务时，硬件分析的部分通常简化为在网上的相关论坛（通常是OpenWRT Wiki）寻找相关资料。

硬件黑客——识别无文档设备的调试接口

要对一个完全未知的普通设备刷写固件，简直就是一个难以完成的任务。故而，我们需要逐步剖析硬件电路，以便检查其所用的固件及检测固件的安全漏洞。不过，对硬件电路进行逆向工程并不是一件简单的事，尤其是专有芯片集电路，好在一些基本的分析技术还是适用的。在我们的例子中，Broadcom（博通公司）的SoC作为Belkin F9 K1106as（Belkin:贝尔金公司）无线中继器的核心部件。我们用该设备作为例子并不是我们对它别有兴趣，而是它的芯片集也用在众多社区支持的其他设备上。为了识别该SoC的引脚，我们将它接上专用电源。打开设备的外壳，便是PCB板了。我们第一个目的是串行连接到设备，以获得shell或至少访问到引导装载程序。

图：Belkin F9 K1106as PCB图及其不同模块

要识别金属防护罩保护的模块，最简单的办法是拆掉防护罩。

图：用钳子打开静电防护罩

仅为了逆向分析出隐藏在PCB板上的调试引脚接口，我们不必将全部的防护罩拆除。借助暴露在PCB上的UART接口（译者注：通用异步收发器，详见百度百科）可以实现最初的调试，因为把UART直接接到以11520 Baud 8n1为终端的FT2322H板上，可以获取得root shell。相比于其他接口，很容易就可以辨认出UART，它只有两个针脚，接收端及发送端。进行串行通信并非总是UART，但这能帮助我们缩小可能性。一组3-5针的引脚通常是UART接口，这是开发PCB时预留的。

UART通常的引脚排布为（GND|RX|TX|VCC）或（GND|TX|RX|VCC）。

那JTAG（译者注：联合测试工作组，详见百度百科）在哪呢？该标准允许开发者或有经验的黑客轻易地控制CPU、在运行阶段调试SoC和对flash进行读取和编程以及运行自检测试。这个问题可以如此作答：用JTAG暴力工具。SEC Consult开发的工具（包括硬件和软件）附带有该功能，当然，网络上也有许多用于该目的的工具。由于有效的调试针脚为4-5针，PCB板上部的10个针脚看起来像是JTAG。

图：暴力检测JTAG针脚

图：SEC Consult安全实验室开发的硬件分析工具“SEC Xtractor”

经过暴力检测后，终于找出了针脚！为了保持完整性，也标记了UART接口。

图：JTAG引脚

至于JTAG适配器，用的是廉价的迷你FT2322H模块。

图：通过迷你FT2232H模块连接到JTA

连接到OpenOCD的请求给出了如下结果：

图：OpenOCD输出

该芯片似乎有一个ID为0x2535717f的32位的指令寄存器。此前，我们所知的仅是该Broadcom SoC标签为BCM5358UB0KFBG。现在，我们有更多的了解了——不过是针对该具体的设备；JTAG接口可以用来控制芯片及对系统底层的访问。

硬件黑客——抓取固件

提取固件，是完善该SoC信息池的最后一步。一个Macronix的串行flash芯片安装在PCB背面。花几分钟用flashrom和FT2322H即可读取出其中的内容。从datasheet上可以快速找出其引脚定义：

图：Macronix SPI flash芯片引脚

将flash芯片从PCB板上取下后，置于转接器上并启动flashrom：

图：用flashrom读取SPI存储器

转储文件包括整个程序存储器和暂存数据（NVRAM）。用flashrom重写固件并芯片焊接回去是刷第三方固件的另一种方法。通过调用“binwalk-Adump.bin”，得到许多的“MIPSEL”（MIPS little endian）指令，这让我们不禁假设：该Broadcom SoC 是基于通用MIPSEL32 CPU的。SOP封装的串行flash芯片是最容易读取的flash，更具挑战性的NAND和NOR flash芯片，由于其复杂的接口、狭小的封装和数目众多的引脚，操作起来甚是困难。

通过IoT Inspector对转储文件进行初步分析显示，该固件存在一些基本的安全风险，同时也获取到该设备使用的软件信息。由于我们分析的是老旧设备，一些安全漏洞可以追溯到2007年：

图：IoT Inspector报告摘录

硬件黑客——逆向SoC引脚

正如先前所述，如果得到了SoC的引脚定义，那么我们将可以对任何使用BCM5358UB0KFBG的设备进行逆向。为此，大多数情况下我们可以用热风枪将BGA封装的芯片拆焊下来。

图：热风枪返修台

图：拆下SoC后的Belkin PCB

根据SoC的引脚连接情况，结合datasheet的相关资料以及针脚对地/电源（GND/VCC）电压的测定和逻辑推断，我们得出该芯片部分重要引脚的功能定义。

图：BCM5358U0KFBG芯片部分引脚功能定义

显然，BCM535x系列芯片有着相似的引脚定义。https://wikidevi.com网站收集有计算机硬件的相关信息，当然也包括Broadcom SoC系列。我们找到了下面的条目：

图：来源: https://wikidevi.com

观察包含该类芯片的其他路由器的图片可以发现，芯片的引脚功能都是大同小异。

Wikidei网站包含众多硬件的相关信息，除此之外，制造商提供的相关文档也非常详尽。中国似乎是唯一一个各个品牌路由器的生产国。

硬件黑客——来自中国的供应链

所有这些中国制造的电子产品，芯片、外围设备、路由器等，经常是由同一家工厂组装完成的。结果很明显，这些产品的质量都在一个等级，一些工厂也为相互竞争的市场供应商生产产品。我们来看看两张华硕RT-N53路由器和Belkin F9 K1106无线中继器的内部图片。这PCB板上的标识简直就是一摸一样，是不是？

图：华硕PCB，来源：https://apps.fcc.gov/

图：Belkin PCB
巧合吗？并不像啊。这些标识的字体是ELCAD（电脑辅助电子设计）软件默认设置的，如果不是强制要求，开发者是不会去改动的。这意味着相同的模板重用于华硕PCB的开发，甚至更多其他供应商。因此，同一家ODM（原设计制造商）负责设计制造包括Belkin在内各品牌的产品。

在嵌入式设备生产中，这并不是什么不常见的生产形式，尤其是对于来自US的公司。其中的固件多半也是亚洲供应商基于标准的亦或是定制的SDK开发的。

审核编辑：汤梓红