今年4月，來(lái)自德國(guó)的研究者披露了一個(gè)名為“StarBleed”的漏洞，它存在于賽靈思的Virtex、Kintex、Artix、Spartan等全部7系列FPGA中。通過(guò)這個(gè)漏洞，攻擊者可以同時(shí)攻破FPGA配置文件的加密（confidentiality）和鑒權(quán)（authenticity），并由此可以隨意修改FPGA中實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。更嚴(yán)重的是，這個(gè)漏洞并不能通過(guò)軟件補(bǔ)丁的方式修復(fù)，一旦某個(gè)芯片被攻破，就只能通過(guò)更換芯片的方式修復(fù)。

　　漏洞的發(fā)現(xiàn)者已于2019年9月將這個(gè)漏洞知會(huì)了賽靈思，并在第二天就獲得了賽靈思的承認(rèn)。根據(jù)賽靈思之前發(fā)布的財(cái)報(bào)，7系列FPGA貢獻(xiàn)了公司35%的營(yíng)收。這些FPGA被廣泛用于通信設(shè)備、醫(yī)療、軍工宇航等多個(gè)領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域很多都需要系統(tǒng)有著很高的穩(wěn)定性與安全性。因此，這次爆出的重大漏洞，無(wú)疑會(huì)對(duì)賽靈思及其客戶帶來(lái)較大的負(fù)面影響。

　　近年來(lái)，有關(guān)CPU的漏洞時(shí)有發(fā)現(xiàn)。例如在2018年初，幾乎全部主流的CPU廠商都被發(fā)現(xiàn)在其CPU產(chǎn)品中存在熔斷（Meltdown）和幽靈（Spectre）漏洞。相比之下，F(xiàn)PGA的漏洞問(wèn)題并不那么“常見(jiàn)”。在這篇文章中，老石將深入解析造成這個(gè)漏洞的技術(shù)原因，并總結(jié)一些可行的應(yīng)對(duì)方法與預(yù)防措施。

　　關(guān)于詳細(xì)介紹這個(gè)漏洞的論文全文，已上傳至知識(shí)星球“老石談芯進(jìn)階版”，請(qǐng)于文末掃碼進(jìn)入星球查看。

　　FPGA的主要加密方式

　　隨著FPGA在數(shù)據(jù)中心、通信基礎(chǔ)設(shè)施、AI加速、醫(yī)療設(shè)備、邊緣計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，針對(duì)FPGA安全性的研究在近年來(lái)逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

　　與CPU、ASIC等芯片相比，F(xiàn)PGA芯片本身并不會(huì)完成任何邏輯功能，它只包含大量的可編程邏輯陣列，以及若干固化的IP核。FPGA系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，基本完全取決于開(kāi)發(fā)者的邏輯設(shè)計(jì)。由于不同的設(shè)計(jì)者可以開(kāi)發(fā)不同的系統(tǒng)邏輯，這就使得相同的FPGA芯片可以廣泛用于眾多不同的行業(yè)領(lǐng)域。通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)都是由很多IP組合而成，而這些IP才是FPGA設(shè)計(jì)中最有價(jià)值的部分。

　　為了將設(shè)計(jì)加載到FPGA中運(yùn)行，唯一的方式就是通過(guò)一個(gè)所謂的“比特流（bitstream）”文件完成，業(yè)界也通常稱之為系統(tǒng)映像。系統(tǒng)映像由FPGA設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成，它包含了FPGA設(shè)計(jì)的全部信息，因此是FPGA加密環(huán)節(jié)的重中之重。

　　通常來(lái)說(shuō)，對(duì)比特流或系統(tǒng)映像文件的保護(hù)方式有兩個(gè)層面，第一是加密，第二是鑒權(quán)。加密指的是使用特定算法對(duì)比特流文件進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成密文，使得其中的內(nèi)容對(duì)外不可見(jiàn)。在賽靈思的7系列FPGA中，使用了CBC-AES-256算法進(jìn)行比特流加密。

　　鑒權(quán)指的是對(duì)加密后的比特流文件進(jìn)行身份驗(yàn)證，防止對(duì)其進(jìn)行篡改和刪減，這類似于我們?nèi)粘Ｉ钪械纳矸蒡?yàn)證。如果比特流文件被修改，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的鑒權(quán)結(jié)果。如果將這個(gè)比特流下載到FPGA中，會(huì)因?yàn)樯矸菪ｒ?yàn)失敗而拒絕執(zhí)行，從而避免被攻擊的可能。在賽靈思的7系列FPGA中，使用了基于SHA-256的HMAC（散列消息認(rèn)證碼，Hash-basedMessageAuthenticationCode）方法進(jìn)行鑒權(quán)。

　　可以想象，如果比特流的加密過(guò)程被破解，那么攻擊者就可以讀出比特流文件中的所有信息，從而進(jìn)行反向工程、IP破解、信息收集等工作。如果鑒權(quán)過(guò)程被破解，那么攻擊者就可以對(duì)比特流文件進(jìn)行任意修改，比如修改系統(tǒng)功能、木馬注入等。所以說(shuō)，這兩種保護(hù)方式缺一不可。

　　只可惜，這次的StarBleed漏洞恰恰利用了這兩種保護(hù)方式各自的短板，從而徹底破解比特流的加密和鑒權(quán)，并達(dá)到了完全控制比特流和FPGA芯片的目的，可以說(shuō)這個(gè)漏洞的破壞性和潛在危害性極強(qiáng)。

　　StarBleed漏洞的具體攻擊方法

　　整個(gè)攻擊過(guò)程分為兩大部分，第一是對(duì)加密的比特流文件進(jìn)行破解，第二是獲取鑒權(quán)密鑰。

　　為了破解加密的比特流文件，攻擊者利用了賽靈思FPGA里的一個(gè)特殊的配置寄存器WBSTAR，這個(gè)寄存器原本保存了FPGAMultiBoot功能的起始地址，當(dāng)啟動(dòng)FPGA時(shí)，就通過(guò)讀取這個(gè)寄存器從片外非易失性存儲(chǔ)器找到映像文件。因此，當(dāng)FPGA復(fù)位時(shí)，這個(gè)寄存器的內(nèi)容是不會(huì)被抹掉的。

　　對(duì)加密比特流的破解過(guò)程分為5個(gè)步驟。

　　第一步，攻擊者對(duì)一個(gè)合法的比特流文件進(jìn)行了簡(jiǎn)單篡改。具體來(lái)說(shuō)，他需要修改比特流的一個(gè)32位字，將其改成對(duì)WBSTAR寄存器的寫操作。寫入的內(nèi)容，就是比特流本身。

　　雖然比特流是加密的，但這個(gè)篡改過(guò)程并沒(méi)有想象中那么困難。由于Vivado生成的比特流文件的格式和很多內(nèi)容是固定的，攻擊者可以對(duì)比不同的比特流文件，從而確定對(duì)WBSTAR寄存器操作命令的位置，然后對(duì)其進(jìn)行修改即可。由于篇幅所限，這部分的具體的細(xì)節(jié)不再贅述，歡迎在知識(shí)星球或微博與老石進(jìn)一步交流。

　　比特流數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，灰色部分是加密的內(nèi)容

　　第二步，將篡改后的比特流加載到FPGA里。此時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)對(duì)比特流進(jìn)行解密，并將一個(gè)32位字寫入WBSTAR寄存器。值得注意的是，這里寫入的是已經(jīng)解密的比特流內(nèi)容！

　　第三步，加載完畢后，由于比特流發(fā)生了修改，因此校驗(yàn)失敗，并自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。

　　第四步，使用另外一個(gè)未加密的比特流文件，讀取WBSTAR寄存器的內(nèi)容。由于WBSTAR寄存器的特殊性，它的內(nèi)容不會(huì)隨著復(fù)位而清除。因此，此時(shí)攻擊者再使用另外一個(gè)未加密的比特流文件讀取這個(gè)寄存器的內(nèi)容，就可以得到解密后的FPGA比特流的32位內(nèi)容了。這個(gè)未加密的比特流文件已開(kāi)源，請(qǐng)?jiān)谖哪叽a進(jìn)入知識(shí)星球查看。

　　第五步，手工復(fù)位，然后重復(fù)上述步驟，直到整個(gè)比特流都解密完成。

　　可以看到，攻擊者利用了上面提到的鑒權(quán)過(guò)程晚于加解密過(guò)程這個(gè)缺陷，通過(guò)“螞蟻搬家”的方式完成了對(duì)比特流的完全解密。最可憐的是，此時(shí)的FPGA本身也淪為了幫助解密的工具。這也解釋了為什么只能通過(guò)更換FPGA芯片才能修補(bǔ)這個(gè)漏洞。

　　下面的表格總結(jié)了不同的7系列FPGA的比特流大小，以及解密所需要的時(shí)間。讀出一個(gè)32位字大概需要7.9毫秒，那么破解一個(gè)KintexFPGA的比特流就大概需要3小時(shí)42分鐘。

　　接下來(lái)，就可以對(duì)鑒權(quán)過(guò)程進(jìn)行破解了。這個(gè)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，事實(shí)上，身份校驗(yàn)所需的HMAC密鑰就存儲(chǔ)在比特流文件中，并且未經(jīng)其他額外的加密。這正是所謂的“謎底就在謎面上”。所以只需要讀取完整的比特流，就可以免費(fèi)附贈(zèng)HMAC密鑰一枚。有了它，就可以任意修改比特流文件的內(nèi)容，并重新計(jì)算身份校驗(yàn)。此外，攻擊者甚至可以修改HMAC密鑰本身。

　　綜上所述，StarBleed漏洞正是利用了賽靈思7系列FPGA的兩大設(shè)計(jì)缺陷：

　　1.身份校驗(yàn)發(fā)生在解密過(guò)程之后

　　2.身份校驗(yàn)的密鑰直接存儲(chǔ)在加密后的比特流文件里，且無(wú)額外加密

　　通過(guò)StarBleed漏洞，攻擊者破解了全系列的賽靈思7系FPGA，包括SAKURA-X板卡上的Kintex-7，Basys3板卡上的Artix-7等等。同時(shí)，攻擊者還利用同樣的原理攻擊了6系FPGA，例如ML605板卡上的Virtex-6FPGA，也能實(shí)現(xiàn)不完全破解。

　　防御方法

　　由于StarBleed漏洞直接利用了賽靈思7系列FPGA芯片的設(shè)計(jì)缺陷，且攻擊過(guò)程直接在加載映像文件時(shí)展開(kāi)，因此不能使用軟件補(bǔ)丁或固件升級(jí)的方法規(guī)避這個(gè)漏洞。目前唯一的修復(fù)方法只有更換芯片，賽靈思官方已經(jīng)向研究者承認(rèn)了這一點(diǎn)。

　　事實(shí)上，攻擊者使用這種方法無(wú)法破解UltraScale或更新的FPGA系列。這說(shuō)明上面所說(shuō)的設(shè)計(jì)缺陷已經(jīng)在新型FPGA架構(gòu)中得到了修復(fù)。例如，首先對(duì)比特流文件進(jìn)行鑒權(quán)，通過(guò)后再進(jìn)行加載。

　　雖然除了換芯片外沒(méi)有完全防御的方法，我們?nèi)匀豢梢圆捎靡恍┰O(shè)計(jì)手段增加破解的成本和復(fù)雜度。一個(gè)常見(jiàn)的方法是在設(shè)計(jì)中增加額外的冗余邏輯，這些額外的部分并不影響邏輯功能，但會(huì)極大的提升設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而增加破解的時(shí)間成本。比如，在狀態(tài)機(jī)中增加很多無(wú)用狀態(tài)等等。

　　此外，還可以在板卡設(shè)計(jì)時(shí)封鎖FPGA的配置端口，比如研究者使用的JTAG和SelectMAP端口等。事實(shí)上，在量產(chǎn)的FPGA設(shè)計(jì)中，應(yīng)該也很少有暴露的JTAG端口。

　　同時(shí)，研究者還思考了如何盡早發(fā)現(xiàn)這類設(shè)計(jì)缺陷和漏洞，而形式化方法就是一個(gè)很好的解決手段。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)芯片的設(shè)計(jì)規(guī)約，建立形式化模型，并通過(guò)滿足性驗(yàn)證（satisfiability）等方式對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行分析和證明。老石在之前的文章《形式化芯片驗(yàn)證：救世主還是烏托邦》中，曾對(duì)形式化方法做過(guò)詳細(xì)介紹，有興趣的讀者可以看看。

　　結(jié)語(yǔ)

　　FPGA的安全性研究并非一個(gè)全新的課題。然而，傳統(tǒng)的FPGA攻擊方法都需要使用額外的物理設(shè)備或操作，實(shí)用性遠(yuǎn)不如此次爆出的StarBleed漏洞。

　　一旦FPGA被攻破，攻擊者可以任意讀取FPGA比特流的數(shù)據(jù)、IP內(nèi)容等，并實(shí)現(xiàn)反向工程；也可以任意改變FPGA實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，這使得FPGA所在的系統(tǒng)可能淪為攻擊者的高性能“肉雞”。由于FPGA能以40Gbps甚至更高的速度線速發(fā)送數(shù)據(jù)包，這使得大規(guī)模DDOS攻擊變得“簡(jiǎn)單”。此外，攻擊者也可以通過(guò)邏輯實(shí)現(xiàn)的方式，大幅提升芯片溫度并對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行不可逆的物理破壞，等等。

　　可以說(shuō)，這次的StarBleed漏洞給業(yè)界敲響了警鐘，也將會(huì)提升人們對(duì)FPGA安全性的重視，并以此指導(dǎo)未來(lái)的FPGA安全性設(shè)計(jì)。亡羊補(bǔ)牢，猶未晚也。