本文介紹一些實用的PCB級硬體逆向的基礎技術，可用于研究者和白帽團體分析未知的硬體。SEC Consult營運的硬體安全專用實驗室是SEC Consult安全實驗室的一部分。下面展示的研究隻是硬體實驗室衆多研究中的冰山一角。
今天，我們生活在一個被嵌入式裝置統治的世界中。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裝置，是極易被攻擊的。最近爆發的Mirai病毒事件和其他LoT惡意軟體更加說明了這一點。無論是出于好奇還是應顧客要求進一步提高産品的安全性，想要深度審計該類裝置的固件，我們都需要拆卸下來，好找到調試接口。隻有通過對系統進行調試和運作，才能揭示其中的隐秘之處。由于該過程具有一定的破壞性，故通常會對裝置造成損壞。是以，要想進行深入的分析，僅準備一台裝置是不夠的！
如何從熟知的裝置開始？
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裝置之前委托安全咨詢公司對該産品的内置固件進行測試，以此最大程度地降低系統的安全風險。不過，對使用者和業餘愛好者來說，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晶片指令集開發的）更加出色，但在安全性方面，确實如此。當我們在完成對已知裝置的安全審計的任務時，硬體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。
硬體黑客——識别無文檔裝置的調試接口
要對一個完全未知的普通裝置刷寫固件，簡直就是一個難以完成的任務。故而，我們需要逐漸剖析硬體電路，以便檢查其所用的固件及檢測固件的安全漏洞。不過，對硬體電路進行逆向工程并不是一件簡單的事，尤其是專有晶片集電路，好在一些基本的分析技術還是适用的。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。我們用該裝置作為例子并不是我們對它别有興趣，而是它的晶片集也用在衆多社群支援的其他裝置上。為了識别該SoC的引腳，我們将它接上專用電源。打開裝置的外殼，便是PCB闆了。我們第一個目的是串行連接配接到裝置，以獲得shell或至少通路到引導裝載程式。
Belkin F9 K1106as PCB圖及其不同子產品
要識别金屬防護罩保護的子產品，最簡單的辦法是拆掉防護罩。
用鉗子打開靜電防護罩
僅為了逆向分析出隐藏在PCB闆上的調試引腳接口，我們不必将全部的防護罩拆除。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）可以實作最初的調試，因為把UART直接接到以11520
Baud 8n1為終端的FT2322H闆上，可以擷取得root
shell。相比于其他接口，很容易就可以辨認出UART，它隻有兩個針腳，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？該标準允許開發者或有經驗的黑客輕易地控制CPU、在運作階段調試SoC和對flash進行讀取和程式設計以及運作自檢測試。這個問題可以如此作答：用JTAG暴力工具。SEC Consult開發的工具（包括硬體和軟體）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闆上部的10個針腳看起來像是JTAG。
暴力檢測JTAG針腳
SEC Consult安全實驗室開發的硬體分析工具“SEC Xtractor”
經過暴力檢測後，終于找出了針腳！為了保持完整性，也标記了UART接口。
JTAG引腳
至于JTAG擴充卡，用的是廉價的迷你FT2322H子產品。
通過迷你FT2232H子產品連接配接到JTAG
連接配接到OpenOCD的請求給出了如下結果：
OpenOCD輸出
該晶片似乎有一個ID為0x2535717f的32位的指令寄存器。此前，我們所知的僅是該Broadcom SoC标簽為BCM5358UB0KFBG。現在，我們有更多的了解了——不過是針對該具體的裝置；JTAG接口可以用來控制晶片及對系統底層的通路。
硬體黑客——抓取固件
提取固件，是完善該SoC資訊池的最後一步。一個Macronix的串行flash晶片安裝在PCB背面。花幾分鐘用flashrom和FT2322H即可讀取出其中的内容。從datasheet上可以快速找出其引腳定義：
Macronix SPI flash晶片引腳
将flash晶片從PCB闆上取下後，置于轉接器上并啟動flashrom：
用flashrom讀取SPI存儲器
轉儲檔案包括整個程式存儲器和暫存資料（NVRAM）。用flashrom重寫固件并晶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”（MIPSlittle 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晶片是最容易讀取的flash，更具挑戰性的NAND和NOR
flash晶片，由于其複雜的接口、狹小的封裝和數目衆多的引腳，操作起來甚是困難。
通過IoT Inspector對轉儲檔案進行初步分析顯示，該固件存在一些基本的安全風險，同時也擷取到該裝置使用的軟體資訊。由于我們分析的是老舊裝置，一些安全漏洞可以追溯到2007年：
IoT Inspector報告摘錄
硬體黑客——逆向SoC引腳
正如先前所述，如果得到了SoC的引腳定義，那麼我們将可以對任何使用BCM5358UB0KFBG的裝置進行逆向。為此，大多數情況下我們可以用熱風槍将BGA封裝的晶片拆焊下來。
熱風槍返修台
拆下SoC後的Belkin PCB
根據SoC的引腳連接配接情況，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，我們得出該晶片部分重要引腳的功能定義。
BCM5358U0KFBG晶片部分引腳功能定義
顯然，BCM535x系列晶片有着相似的引腳定義。https://wikidevi.com網站收集有計算機硬體的相關資訊，當然也包括Broadcom SoC系列。我們找到了下面的條目：
來源: https://wikidevi.com
觀察包含該類晶片的其他路由器的圖檔可以發現，晶片的引腳功能都是大同小異。
Wikidei網站包含衆多硬體的相關資訊，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産國。
硬體黑客——來自中國的供應鍊
所有這些中國制造的電子産品，晶片、外圍裝置、路由器等，經常是由同一家工廠組裝完成的。結果很明顯，這些産品的品質都在一個等級，一些工廠也為互相競争的市場供應商生産産品。我們來看看兩張華碩RT-N53路由器和Belkin F9 K1106無線中繼器的内部圖檔。這PCB闆上的辨別簡直就是一摸一樣，是不是？
華碩PCB，來源：https://apps.fcc.gov/
Belkin PCB
巧合嗎？并不像啊。這些辨別的字型是ELCAD（電腦輔助電子設計）軟體預設設定的，如果不是強制要求，開發者是不會去改動的。這意味着相同的模闆重用于華碩PCB的開發，甚至更多其他供應商。是以，同一家ODM（原設計制造商）負責設計制造包括Belkin在内各品牌的産品。
在嵌入式裝置生産中，這并不是什麼不常見的生産形式，尤其是對于來自US的公司。其中的固件多半也是亞洲供應商基于标準的亦或是定制的SDK開發的。
愈演愈烈的後門事件大都是邏輯上的缺陷——正如我們之前看到過的：
- http://blog.sec-consult.com/2017/06/ghosts-from-past-authentication-bypass.html
- http://blog.sec-consult.com/2016/12/backdoor-in-sony-ipela-engine-ip-cameras.html
- http://blog.trendmicro.com/trendlabs-security-intelligence/netis-routers-leave-wide-open-backdoor/
- http://www.devttys0.com/2013/10/from-china-with-love/
文章來源：看雪翻譯小組 StrokMitream 編譯，來源SecConsult@Thomas Weber