ハンズオン

ハンズオン1: ATmega328P に対する FIA-1

事前準備

ここでは ATmega328P に対する FIA を試行します．

ATmega328P は Arduino に実装されている場面を見ることが多いと思います． しかし，Arduino は電源ラインにカップリングコンデンサが実装されているため， ATmega328P が Arduino の基板に実装されたままだと FIA がうまくいきません．

そこで，ATmega328P だけブレッドボードに移し替えて，コンデンサがない状態で FIA を実施します． そのために，まず ATmega328P がブレッドボードにある状態で動かせるようにしてください． Arduino を一台用意し，ISP 化することで，ATmega328P がブレッドボードにある状態でも書き込みができるようになります．

課題1: ATmega328P をブレッドボードに配置し，動作できるようにしてください．条件は以下です

• ATmega328P の出力は PC のシリアルターミナルから確認できる状態であること
• クロックは Arduino ではなく，自前で用意した 16 MHz の水晶振動子から供給すること
• （可能であれば）Arduino をもう一台用意し，ISP 化することで，ブレッドボードに ATmega328P がある状態でも書き込みができるようにすること

ATmega328P に書き込んでほしいコードを以下に記載します．

#include <Arduino.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int ctr = 0;
  for (int i = 0; i < 2; i++) {
    for (int j = 0; j < 2; j++) {
      delay(100);

      if (i < 0 || i > 1 || j < 0 || j > 1 || ctr != i * 2 + j) {
        Serial.print("FLAG{glitch_detected} ");
        Serial.print("i: ");
        Serial.print(i);
        Serial.print(" j:");
        Serial.print(j);
        Serial.print(" ctr:");
        Serial.println(ctr);
        while (1) {}
      }

      Serial.print("i: ");
      Serial.print(i);
      Serial.print(" j:");
      Serial.print(j);
      Serial.print(" ctr:");
      Serial.println(ctr);
      ctr++;
    }
  }
}

課題2: ESP32 に Injector を書き込み，2N7000 を活用し，fault を入れられる回路をブレッドボードに構築してください．条件は以下です

• 3.3 V の定常状態から 0 V まで落とせること
• 0 V の期間は 10 us とすること
• ATmega328P の出力を ESP32 で受け取れるようにすること（UART）

課題3: 課題1 で構築した ATmega328P の実験環境に対して，課題2 で構築した Injector を用いて Injection を行い，カウンタが壊れ，flag が出力されることを確認してください．

ハンズオン2: ログインバイパス

課題4: ATmega328P に以下のプログラムを書きこんでください．そのうえで，間違ったパスワードを入れてもログインができるような Injector を構築してください

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  char buf[8] = {0};
  Serial.println("Password:");
  while (!Serial.available()) {}
  Serial.readBytesUntil('\n', buf, 7);

  if (strcmp(buf, "password") == 0) {
    Serial.println("Access granted");
  } else {
    Serial.println("Access denied");
  }
}

ハンズオン3: AES

課題5: ATmega328P に以下のプログラムを書きこんでください．そのうえで，鍵を取り出してください

#include <Arduino.h>

const uint8_t SBOX[16] = {0x9,0x4,0xA,0xB,0xD,0x1,0x8,0x5,0x6,0x2,0x0,0x3,0xC,0xE,0xF,0x7};
const uint8_t DBG = 4; // you can change

uint8_t mul2(uint8_t x){ x <<= 1; if (x & 0x10) x ^= 0x13; return x & 0xF; }
uint8_t mul4(uint8_t x){ return mul2(mul2(x)); }

uint16_t subnib(uint16_t s){
  uint16_t r = 0;
  for (int i = 0; i < 4; i++)
    r |= (uint16_t)SBOX[(s >> (12 - 4*i)) & 0xF] << (12 - 4*i);
  return r;
}
uint16_t shiftrow(uint16_t s){
  uint8_t n1 = (s >> 8) & 0xF, n3 = s & 0xF;
  return (s & 0xF0F0) | ((uint16_t)n3 << 8) | n1;
}
uint16_t mixcol(uint16_t s){
  uint8_t n[4] = {(uint8_t)((s>>12)&0xF),(uint8_t)((s>>8)&0xF),
                  (uint8_t)((s>>4)&0xF),(uint8_t)(s&0xF)};
  for (int c = 0; c < 4; c += 2) {
    uint8_t a = n[c], b = n[c+1];
    n[c] = a ^ mul4(b); n[c+1] = mul4(a) ^ b;
  }
  return ((uint16_t)n[0]<<12)|((uint16_t)n[1]<<8)|((uint16_t)n[2]<<4)|n[3];
}
uint8_t g(uint8_t w, uint8_t rcon){
  return ((SBOX[w & 0xF] ^ rcon) << 4) | SBOX[(w >> 4) & 0xF];
}

uint16_t RK[3];

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(DBG, OUTPUT);
  digitalWrite(DBG, LOW);
  uint8_t w0 = 0x3A, w1 = 0xF0; // secret key
  uint8_t w2 = w0 ^ g(w1,0x8), w3 = w2 ^ w1;
  uint8_t w4 = w2 ^ g(w3,0x3), w5 = w4 ^ w3;
  RK[0] = (w0<<8)|w1; RK[1] = (w2<<8)|w3; RK[2] = (w4<<8)|w5;
}

uint16_t saes_encrypt(uint16_t pt) {
  uint16_t s = pt ^ RK[0];
  s = subnib(s);
  s = shiftrow(s);
  digitalWrite(DBG, HIGH);
  delayMicroseconds(20); // easy
  s = mixcol(s); // attack here
  digitalWrite(DBG, LOW);
  s ^= RK[1];
  s = subnib(s);
  s = shiftrow(s);
  s ^= RK[2];
  return s;
}

void loop() {
  if (Serial.available() >= 2) {
    uint8_t hi = Serial.read(), lo = Serial.read();
    uint16_t ct = saes_encrypt(((uint16_t)hi << 8) | lo);
    Serial.write(ct >> 8);
    Serial.write(ct & 0xFF);
  }
}

ハンズオン4: X-Box

課題6 (発展): X-box 360 Slim に対して Reset Glitch Hack を行ってください．

参考：RGH/RGH3