低成本电磁故障攻击工具 PicoEMP

背景

ChipSHOUTER是 Colin 在NewAE Technology设计的高端电磁故障注入 (EMFI) 工具。它虽然不是第一个商业上可用的 EMFI 工具，却是第一个比较容易买到的工具，尽管其具备大量的开放文档，但高昂的价格仍然让很多人望而却步。
PicoEMP 填补了ChipSHOUTER 在低端领域留下的空白，是相较于 ChipSHOUTER 工具的一个稍微温和的版本。该工具的设计优化集中在：安全性、成本、可用性、性能，这四个方面。尽管降低了成本，但效果却出奇地好。
借助 PicoEMP ，任何人都可以使用电磁脉冲诱发可利用的硬件故障。

在安全防护罩下面是这样的:

不过，它也不是作为一个完整的产品出售，在制作和控制它的情况下使用PicoEMP需完全了解其操作和风险。

介绍

PicoEMP 使用 Raspberry Pi Pico 作为控制器，灵感来自 @nezza，使用它作为 debug-n-dump 工具。你也可以选择使用 Arduino 或其他微控制器。你基本上只需要几样东西:

1. PWM 输出驱动高压变压器。

2. 脉冲引脚产生脉冲。

3. 用于监控高压（HV） 状态的状态引脚。

使用

PicoEMP 的一般用法如下:

1. 按下“ARM” 按钮。红色的“ARMING”指示灯会立即亮起，告诉你它正在尝试为高压充电。

2. 几秒钟后，红色的“HV”指示灯会亮起，表示已充电至“某个电压”。

3. 将探头尖端放在目标上方。

4. 按下“Pulse”按钮。

   

关于高压隔离

大多数 EMFI 工具会产生高压（类似于相机闪光灯）。以前的许多开源 EMFI 工具的设计都能很好地工作，但是使用户暴露在高电压下。如果你正确使用这个工具，这是很好的，但是当然总是存在抓住电“热”工具的风险！之所以会出现这种常见的设计，是因为设计 EMFI 工具的最简单方法是使用“低端开关”。对于低端开关，输出连接器总是“热”的，这会带来严重的电击危险。

PicoEMP 通过浮动高压侧来解决这个问题，这意味着 EMFI 探头输出和输入电压接地之间没有电路。通过隔离的高压输出，我们可以安全地使用简单的“低侧开关”。由于高频尖峰，一些电流仍然会流动，虽然不完美，但它在实践中效果很好。

这里需要注意的是，要使其正常工作，你还需要隔离栅极驱动器。对此有多种解决方案，最简单的是栅极驱动变压器 (GDT)。 PicoEMP 使用变压器架构，并进行了一些简化以进一步减少 BOM 数量。

案例

Rasperry Pi 故障注入

型号：Rasperry Pi 2B

镜像：Raspberry Pi OS (32-Bit), Released 2021-10-30

测试源码：rpi-glitching

Glitch Loop

对于 Rasperry Pi 2B 的故障注入攻击简单示例，使用例程是glitchloop.c

#include <stdio.h>
//gcc glitchloop.c -o glitchloop
//./glitchloop
int main(void){
    volatile int i, j, k,l;
    char status[] = "<>";
    while(1){
    k = 0;
    for (i=0; i < 10000; i++){
        for (j=0; j < 10000; j++){
            k++;
        }
    }
    printf("%d %d %d %c\n", i, j, k, status[l++ % 2]);
    }
}

RSA Glitching

在签名操作期间插入故障，利用错误的 rsa 签名操作来恢复私钥。我们将使用 pycryptodome，但使用的是一个旧版本（pycryptodome3.1），因为当前的版本有故障保护。保护是进行验证，即生成的签名验证OK，但是你可以通过更有针对性的故障注入攻击绕过它。

要运行 rsaglitch.py，需要安装 pycryptodome 3.1 和一个加速库来执行因数分解。这可以通过以下方式完成：

pip install pycryptodome==3.1
sudo apt-get install python3-gmpy2

其他开发板测试

在各开发板刷入 Glitch 循环例程固件，针对芯片发起故障注入攻击。

STM32

MCU：STM32F407ZGT6

Arduino Uno

MCU：ATMEGA328P-PU

ESP8266EX