电磁故障注入（EMFI）攻击简介

# 面向初学者的故障注入攻击简介：解密电磁故障注入（EMFI）

**目录**

- [故障注入攻击简介](#故障注入攻击简介)
- [什么是电磁故障注入（EMFI）？](#什么是电磁故障注入emfi)
- [EMFI 的工作原理：从理论到实践](#emfi-的工作原理从理论到实践)
  - [了解电磁干扰](#了解电磁干扰)
  - [EMFI 对集成电路（IC）的影响](#emfi-对集成电路ic的影响)
- [紧凑的 EMFI 设置：组件和组装](#紧凑的-emfi-设置组件和组装)
  - [所需设备](#所需设备)
  - [典型设置图](#典型设置图)
  - [安全注意事项](#安全注意事项)
- [EMFI 实战：现实世界中的攻击场景](#emfi-实战现实世界中的攻击场景)
  - [案例研究 1：提取加密密钥](#案例研究-1提取加密密钥)
  - [案例研究 2：对安全微控制器的故障攻击](#案例研究-2对安全微控制器的故障攻击)
  - [案例研究 3：嵌入式系统芯片上的 EMFI](#案例研究-3嵌入式系统芯片上的-emfi)
- [使用 EMFI 检测漏洞](#使用-emfi-检测漏洞)
  - [扫描故障响应](#扫描故障响应)
  - [使用 Python 和 Bash 自动化故障注入测试](#使用-python-和-bash-自动化故障注入测试)
- [缓解故障注入攻击：防御措施](#缓解故障注入攻击防御措施)
- [提升您的知识：资源和社区](#提升您的知识资源和社区)
- [结论](#结论)
- [参考资料](#参考资料)

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## 故障注入攻击简介

故障注入攻击是一类硬件攻击，其中攻击者在设备的功能上故意引入错误（故障），其目标是绕过安全检查、提取敏感数据或普遍破坏系统的可信度。随着从智能卡到物联网设备的嵌入式系统上运行的安全应用的激增，这种技术尤为相关。

故障注入可通过多种方法执行：
- 电压/时钟故障
- 激光故障注入
- **电磁故障注入（EMFI）**
- 温度/环境操控

在这些方法中，**EMFI** 作为一种灵活的、非接触式技术脱颖而出，它利用短时间的电磁（EM）能量脉冲来破坏硅片的目标区域，导致暂时故障。这篇文章重点介绍在网络安全研究和实际攻击中使用的 EMFI。

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## 什么是电磁故障注入（EMFI）？

**电磁故障注入（EMFI）** 是一种先进的技术，其中一束受控的电磁能量被引导至集成电路（IC）或微控制器的特定部位。其目的是通过引入故障（如位翻转、时间违例或指令跳过）来干扰设备的正确操作。

### 关键特性：

- **非侵入性**：无需打开封装或物理接触内部硅片。
- **精确**：可针对芯片内部的特定功能单元（如CPU核、I/O）。
- **可重复**：适当的设置可以实现一致、可重复的故障注入。
- **强大**：对具有安全功能（如安全启动、加密引擎或防篡改）的芯片尤为有效。

### 概念概述

![EMFI 原理图](https://i.imgur.com/LB3vYoG.png)
*图：电磁故障注入的原理（简化）*

EMFI 技术通常：
- 使用基于线圈的探针（自制或商用）集中 EM 场。
- 使用 EM 脉冲发生器产生纳秒级的高电压脉冲。
- 与系统时钟同步，以最大化在敏感计算阶段造成有意义故障的概率。

**来源：** [arXiv:2509.18341v1](https://arxiv.org/html/2509.18341v1)，[关于紧凑型 EMFI 的 Ledger 博客](https://www.ledger.com/blog/compact-em)

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## EMFI 的工作原理：从理论到实践

### 了解电磁干扰

**电磁干扰（EMI）** 发生在外部电磁场干扰电子电路的正常操作时。在故障注入的背景下，这种攻击是有焦点的、故意的且高度受控的。

**EMFI 背后的物理学：**
- 麦克斯韦方程描述了 EM 场的传播和与材料的相互作用。
- 快速、高能瞬态在受害电路中产生不需要的电流。
- 在数字系统中，这些可以在关键的门电路或存储单元的精确时刻引起电压（或电流）浪涌，导致故障。

### EMFI 对集成电路（IC）的影响

当精准制作的 EM 脉冲发射到设备上时，可能的攻击效果包括：
- **时间违例**：数据未正确锁存，或控制序列出错。
- **指令跳过**：CPU 无意间跳过指令。
- **位翻转**：由于引入电流，存储或寄存器中的位发生翻转。
- **安全性突破**：安全检查或条件分支可以被破坏。

**示例：**  
一个微控制器正在执行密码验证代码。EMFI 攻击可以翻转该验证的结果，从而绕过身份验证并授予未经授权的访问权限。

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## 紧凑的 EMFI 设置：组件和组装

在发起攻击之前，让我们了解安全实验室中的典型 EMFI 设置。

### 所需设备

1. **脉冲发生器** — 生成快速、精确的高压脉冲（通常高达数百伏，宽度可小至数纳秒）。
2. **EM 注入探针** — 通常是一个小型线圈（环形探针），放置在目标芯片上方。
3. **示波器/逻辑分析仪** — 用于监视系统响应并协助时序校准。
4. **触发和同步设备** — 确保在正确的时间注入故障。
5. **目标设备** — 要测试的嵌入式系统、微控制器或 SoC。
6. **定位系统** — XYZ 微定位仪用于精确探针对准。
7. **屏蔽和安全设备** — 防止附带干扰和伤害。

**注意：** 一些高级设置使用电动台、计算机可控延迟，甚至机器学习来自动化流程。

### 典型设置图

```plaintext
+---------------------+    同轴电缆     +-----------------------+
| 脉冲发生器          |--------------------->| EM 探针（环形/线圈） |
+---------------------+                      +-----------------------+
                                                        |
                                                        V
                                                 +-----------+
                                                 |   目标设备 |
                                                 +-----------+
                                                        |
                                                        v
      +---------+     触发/同步      +-------------+   USB/串口   +-----------+
      | 主机 PC |<--------------------->| 示波器/逻辑分析仪 |--------------->| 主机 PC   |
      +---------+                      +-------------+                +-----------+
（控制，定时）                   （监视响应）

安全注意事项

• 高电压：脉冲发生器可以输出危险电压；极其谨慎地操作。
• EM 场：需要进行屏蔽以局限攻击并最小化辐射。
• 设备损坏：重复的高能量脉冲可能永久损坏目标 IC。

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EMFI 实战：现实世界中的攻击场景

案例研究 1：提取加密密钥

攻击概念

许多设备依赖于内部存储的加密密钥（例如，AES、RSA 密钥）。通过在加密计算期间（如 RSA 中的乘法）扰乱执行，攻击者可以引入故障，从而生成可以用来数学恢复秘密密钥的“错误输出”。

示例

• 目标：运行 RSA 签名计算的智能卡。
• 过程：在私钥计算期间应用 EMFI，以选择性地造成关键位的故障。
• 结果：使用多个错误输出和原始密文，通过一种称为差分故障分析的技术重建密钥。

差分故障分析流程

flowchart TD
    A[设备执行加密算法] --> B[EMFI 在计算中引入故障]
    B --> C[捕获输出（错误的密文/签名）]
    C --> D[攻击者使用已知方程和多个错误输出]
    D --> E[通过代数技术恢复密钥]

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案例研究 2：对安全微控制器的故障攻击

用于支付卡、TPM 或身份验证令牌的现代微控制器包括安全功能——但 EMFI 可以绕过这些功能，暴露其秘密。

示例：跳过身份验证检查

假设目标代码段执行密码检查：

if (input_hash == stored_hash) {
    grant_access();
}

EMFI 脉冲在比较过程中适时地执行，可以损坏 CPU 的控制流寄存器或标志，跳过条件，迫使错误地授予访问权。

演示：可视化控制流操作

周期	操作	寄存器状态	EMFI 效果	输出
T1	载入 input_hash	input_hash in R1	-	-
T2	比较 input_hash 和 stored_hash	R1, R2	EM pulse	错误的比较结果
T3	条件分支（如果相等则分支）	条件检查	跳过	授予访问！

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案例研究 3：嵌入式系统芯片上的 EMFI

对于 SoC（例如，ARM Cortex-M，A53），EMFI 开启了广泛的攻击面：

• 启动 ROM
• 安全飞地(s)
• 实时代码解密
• 运行时数据认证

示例：对安全启动的攻击

SoC 可能会在启动时检查固件完整性。攻击者将 EMFI 脉冲与 CRC 验证例程同步，导致验证被跳过或错误地计算。设备随后引导攻击者修改的（恶意）固件。

现实世界参考：
在Creach Labs 研讨会中，研究人员展示了如何使用 EMFI 来妥协运行受信执行环境的 SoC。

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使用 EMFI 检测漏洞

安全研究人员通常使用 EMFI 来表征新设备中的漏洞。过程包括系统性地探测、故障注入和观察设备响应。

扫描故障响应

步骤-by-步骤 过程：

1. 识别敏感代码：应该在哪里进行攻击（例如，密码比较，加密例程）？
2. 同步脉冲：使用 GPIO、串行输出或调试行以确保准确的时序。
3. 变化参数：探索脉冲宽度、振幅、时间偏移和探针位置。
4. 收集输出：存储设备响应、错误密文或调试日志以进行分析。
5. 分类故障：使用脚本解析输出，并按故障类型进行分类——跳过的指令、位翻转、设备完全重置等。

扫描脚本示例（Bash + Python）：

假设您的设备通过 UART 输出诊断信息，您想自动化故障分类。

Bash： 启动故障扫描，捕获每次注入的串行日志：

for delay in $(seq 0 100 5000); do
    echo "Injecting at delay $delay ns"
    ./trigger_pulsegen --delay $delay --width 10 --voltage 200
    cat /dev/ttyUSB0 > log_${delay}.txt &
    sleep 0.5
    pkill -f "cat /dev/ttyUSB0"
done

Python： 解析日志以查找故障模式（例如，寻找“FAULT DETECTED”）：

import glob

for logfile in glob.glob("log_*.txt"):
    with open(logfile) as f:
        content = f.read()
        if "FAULT DETECTED" in content:
            print(f"{logfile}: Fault observed")
        elif "RESET" in content:
            print(f"{logfile}: Device reset detected")
        else:
            print(f"{logfile}: No fault")

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使用 Python 和 Bash 自动化故障注入测试

大规模研究涉及将所有设备与软件自动化集成：

• 自动化探针定位（通过马达）
• 编程控制脉冲参数
• 实时数据采集和处理
• 基于观测结果的自适应目标设定

简单的 Python 自动化示例：

假设您有一个脉冲发生器和示波器的 API：

import pulsegen
import oscilloscope

# 连接设备
pulse = pulsegen.connect("COM4")
scope = oscilloscope.connect("USB0::0x1AB1::0x0588::DS1ET141904883")

delays = range(1000, 5000, 200)  # 单位为 ns

for d in delays:
    pulse.setup(delay=d, width=10, voltage=250)  # 设置注入参数
    pulse.fire()   # 注入！
    trace = scope.capture()
    # 保存、分析或可视化捕获的踪迹：
    filename = f"trace_{d}ns.csv"
    with open(filename, "w") as f:
        f.write(trace)

注意： 实际的自动化可能涉及复杂的库、错误处理和与探针定位器的集成。

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缓解故障注入攻击：防御措施

随着 EMFI 的成熟，反制措施也在进步——硬件制造商现在正在设计具有故障抵抗力的芯片：

• 传感器：用于检测强 EM 场或电压异常的片上检测器。
• 冗余计算：关键逻辑被复制，并比较结果（双模块冗余，DMR）。
• 随机延迟/混淆：增加执行时间的噪声，增加精确定位的难度。
• 物理屏蔽：在 IC 敏感区域上加导电、吸收 EM 的屏障。
• 软件检测：软件监视不可能的状态（例如，逻辑中不可能的跳转）。

软件示例：三重计算进行验证：

// 伪代码
result1 = calc_hash(input);
result2 = calc_hash(input);
result3 = calc_hash(input);

if ((result1 == result2) && (result2 == result3))
    use(result1);
else
    trigger_alert();

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提升您的知识：资源和社区

如果您渴望超越基础知识，以下资源和社区是无价的：

• 研究论文：
  • arXiv:2509.18341v1
• 研讨会和工作坊：
  • Creach Labs EMFI 研讨会
• 开源工具：
  • ChipWhisperer
• 博客和教程：
  • 关于紧凑型电磁故障注入设置的 Ledger 博客
• 会议：
  • CHES（加密硬件和嵌入式系统）
  • COSADE（建设性侧信道分析与安全设计）
  • RECON, Hardwear.io

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结论

电磁故障注入（EMFI） 是硬件安全研究领域一种引人入胜的—尽管具挑战性的—工具。从最初的学术好奇心发展而来，现在已成为任何设计安全微控制器或芯片的人必须考虑的关键风险。即使是最基本的设备和脚本，攻击者（和研究者）也能进行精确、可重复且高度破坏性的硬件级入侵。

正如您已看到的：

• EMFI 可以绕过、降级或提取加密机密。
• 实际设置在许多实验室和专业人士的能力范围内。
• SoC 安全启动、智能卡和安全元件中现实世界的漏洞证明了 EMFI 的严重性。
• 防御性研究和安全芯片设计必须不断适应。

对于新手和老手来说，EMFI 既是一种需要管理的威胁—也是为我们数字世界进行未来保障的强大诊断工具。

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参考资料

1. 面向初学者的故障注入攻击简介（arXiv:2509.18341v1）
2. 紧凑型电磁故障注入设置 — Ledger 博客
3. 不要信任现代系统芯片——对 SoC 的电磁故障注入攻击 — Creach Labs 研讨会
4. ChipWhisperer 项目
5. 麦克斯韦方程组和电磁干扰基础 — 维基百科
6. 故障注入与对策 — Embedded.com

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您觉得这篇长篇指南有帮助吗？如果有，请与您的安全团队或硬件工程同事分享！欲了解更多高级技术或示例，请参阅上面资源和最新的硬件与嵌入式安全会议论文。

[如需反馈、纠正或贡献，请参阅原始 ArXiv 预印本和开源安全研究社区。]