摘要：本文介紹了SHA-1器件可能受到的攻擊，以及如何利用SHA-1器件本身特點或推薦的方案來防止可能遭受的攻擊，說明了1-Wire?及iButton? SHA-1器件的安全性。對于各種類型的服務應用(包括訪問控制和電子錢包)來說，1-Wire器件的數據和硬件認證是關鍵所在。1-Wire/iButton SHA-1器件是移動式令牌，可以基于隨機質詢使用加密性能完善的散列算法生成信息認證代碼(MAC)，因此，是上述服務應用的理想選擇。

引言

在閱讀本文之前，請先回顧白皮書8：1-Wire SHA-1概述。該文中也介紹了一些作為電子支付(eCash)令牌的1-Wire SHA-1器件。

本文介紹了1-Wire器件可能受到的攻擊，以及如何利用1-Wire器件本身特點或推薦的方案來防止可能遭受的攻擊(為清晰起見，專用術語、命令或代碼以斜體字表示)。術語匯編見白皮書4: Glossary of 1-Wire SHA-1 Terms。

攻擊

什么是攻擊? 攻擊是所有惡意破壞并意圖欺騙系統的行為。其動機因提供的不同服務而異。在電子支付系統(如自動售貨機)中, 其動機也許是免費小吃。如果攻擊針對的是一個頂級機密實驗室的訪問控制，動機也許完全不同。以下攻擊方式大致按難度由簡單到困難排列。所有這些攻擊均假設攻擊者均具有合法用戶令牌(即服務的一部分)的訪問，這意味著設定了正確的認證密碼并且器件中的數據是合法的。

復制攻擊

復制攻擊通過把合法的服務數據從一個器件(是服務的一部分)復制到另一個器件(也許是，也可能不是服務的一部分)來實現。如果安裝了正確的認證密碼，則器件是服務的一部分。這種攻擊的目的是獲取一個合法令牌，并據之生成另一個，如此便生成了兩個合法令牌。這樣可將諸如身份或貨幣值(eCash)之類的屬性復制到另一個器件中，從而創造更多的貨幣或獲得原先沒有的訪問權限。

條件	器件	防御攻擊的方式
目標器件不是系統的一部分(認證密碼不正確)。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	由于目標器件的認證密碼未設置成正確值，因此無論是什么數據，器件都將不被服務接受。
目標器件是系統的一部分(認證密碼正確)。	DS1963S	目標器件將通過認證測試。然而，借助于嵌套在服務數據中的另一個MAC碼(信息認證代碼)，即該MAC (服務數據簽名)把令牌的ROM ID作為SHA-1計算的一部分，就會由于目標器件有不同的ROM ID，因此數據將被認為無效并且器件將被拒絕。
目標器件是系統的一部分(認證密碼正確)。	DS1961S, DS2432, DS28E01	向目標器件寫數據時需要正確的MAC。由于攻擊者不知道密碼，因此不可能向器件寫數據。

復現攻擊

復現攻擊的攻擊者采用拷貝合法器件的生成服務數據的方法來實施攻擊。然后攻擊者用盡eCash或其它應用領域。再將保存的數據復制回器件。這樣，原始數據被復現。

條件	器件	防御攻擊的方式
無	DS1963S	用來存放安全數據的每個頁都有一個只讀、非循環的寫頁面次數計數器。當器件仍用正確密碼生成認證MAC時，嵌套在服務數據中的另一個MAC (服務數據簽名)將會無效。該MAC包括它所在的寫頁面次數計數值和頁數。將原始數據寫回該頁或其他頁都將無效。即使重寫同樣的數據也將無效，因為寫頁面次數計數器將增加。
無	DS1961S, DS2432, DS28E01	目標器件有寫保護特性，向其復制數據時需要正確的MAC。由于攻擊者不知道密碼，因此向該器件復制數據是不可能的。

竊聽攻擊

竊聽攻擊是一種監測1-Wire通信以暴露密碼或可以被復制的重復碼型技術。

條件	器件	防御攻擊的方式
在合法交易中監控并記錄1-Wire通信。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	當認證器件核實其是否屬于服務的一部分時，MAC計算包括一個隨機質詢機制。該隨機值(salt)大大改變了每次交易過程中1-Wire通信的流量。另外，除了在受保護環境下安裝密碼外，密碼決不會出現在1-Wire總線上。

A-B-A攻擊

A-B-A攻擊試圖使兩種不同的貨幣SCU (服務控制單元)彼此互相干預，以欺騙它們提供更多產品然后做為補償。這種A-B-A攻擊先將令牌給予第一個SCU “A”。然后在支付現金之前將其去除，但應足夠接近末端以使SCU認為它是完整的只是沒有經過認證。這可通過監測1-Wire通信來實現，并能在適當的時候中止該過程。然后SCU “A”將等待令牌被再引入，以核實支付行為是否完整。然后令牌被提供給另一個SCU “B”，完成一次完整的現金支付過程并生成產品。然后令牌回到第一個SCU “A”，證明交易完成。這會使“A”誤以為它完成了現金支付并再次提供產品。這樣一來，僅用一次支付便獲得了兩個產品。

條件	器件	防御攻擊的方式
SCU “A”上的交易必須在限定時間內被終止。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	被稱為交易ID的隨機值是服務數據的一部分，它使每次支付事件唯一。當返回SCU“A”以核實此次支付是否進行完時，由于交易ID不正確，行動將失敗。

仿真攻擊

利用微處理器仿真1-Wire令牌。仿真器必須足夠快，才能達到與實際器件接近的1-Wire主機響應速度。如下所示，只要攻擊者不知道認證密碼，就沒有危險性。將ROM ID作為密鑰計算的一部分，使器件具有唯一的認證密碼(唯一認證密碼)，可進一步降低系統風險。

條件	器件	防御攻擊的方式
認證密碼未知。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	模擬器件不能針對給定質詢生成正確的MAC。因此不會被接受作為服務的一部分。
認證密碼已知。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	無 盡可能用最快的數據速率同SHA器件通信。1-Wire主機(SCU)希望在1ms至2ms內完成SHA計算。這會使構建這樣的模擬器非常困難。 永遠不要暴露認證密碼。

蠻力攻擊(MAC)

蠻力攻擊是對所有可能性進行窮舉以取得想要的結果。這種攻擊的MAC有所不同，包括枚舉所有質詢響應對，并將結果保留在數據庫中以供模擬器使用。這需要訪問合法的、屬于服務一部分的1-Wire器件。隨機質詢是三個字節長(DS28E01是五字節長)，可能的質詢響應對的數量超過160萬(DS28E01的質詢響應對為1.1 × 1012)。由于計算出的SHA-1 MAC長度是20個字節，因此3字節質詢生成的數據為：0xFFFFFF (質詢) × 20 (MAC的大小) = 335,544,300個字節(320MB)。從而生成預先計算MAC查尋表，供模擬器使用。

條件	器件	防御攻擊的方式
動態數據(如eCash)。每當器件出現時，生成并寫入帶有服務數據簽名的新服務紀錄。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	在將新服務紀錄寫入令牌之后，必須對其進行重讀和認證。對新服務紀錄的認證有可能發現不同的MAC，模擬器必須也知道這一點。服務紀錄應包含被稱為隨機的交易ID，這樣模擬器將不能預計新服務紀錄是什么，從而不能蠻力攻擊新MAC。
靜態數據。數據不變，僅被認證。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS28E01	在認證完靜態數據之后，給未使用的頁寫隨機數據并以該頁開始做另一次認證。模擬器不會知道新的MAC。

蠻力攻擊(密碼)

密碼蠻力攻擊指枚舉所有可能的密碼，直到生成正確的MAC。作為服務一部分的令牌提供了什么是正確的MAC。如果發現了密碼，只要有能在1ms內進行雜散運算的SHA-1協處理器，就可將它用在模擬器上。密碼長度是八個字節(FFFFFFFFFFFFFFFF十六進制)。如果在快速計算機上計算SHA-1需要1ms，那么枚舉所有密碼估計需要58萬年。

條件	器件	防御攻擊的方式
超強計算能力和無限時間。	DS1963S, DS1961S, DS2432, DS38E01	各器件使用唯一的密碼(唯一認證密碼)，從而減輕了問題的嚴重性。這通過將器件的唯一ROM ID作為生成密碼的一部分數據來實現。如果發現了密碼，系統不會整個崩潰。只有擁有該特定ROM ID的器件可以被模擬。把該ROM ID列入黑名單將防止攻擊者對其它器件進行另一次蠻力攻擊。

微探針物理攻擊(密碼)

物理攻擊是試圖刺探內部硅晶片以讀取唯一認證密碼的攻擊方式。這一點很難做到，相比EEPROM器件，NV RAM器件(DS1963S)的難度更大。1-Wire SHA-1器件的iButton版本也增加了保護層，借助其封裝免受探針攻擊。硅晶片被保護在不銹鋼外殼里。如果把DS1963S中的電池拿走，即使只是很短的一段時間，內部的密碼也會被清除。進行蠻力攻擊時，如果發現了密碼，則它能被用在模擬器上，以獲取服務中的合法器件的行為信息。然后可用該模擬器件來復現原先的數據(如eCash)。這種攻擊的條件和部分解決方案同上文所述的蠻力密碼攻擊是一樣的。

主機/SCU攻擊(密碼)

對進行認證的1-Wire SCU進行探查，以獲取主機認證密碼和主機簽名密碼。

條件	器件	防御攻擊的方式
必須有訪問SCU的物理權限。	無	可保證SCU的安全。例如，用一個不允許讀固件的安全微處理器，如DS5002。
必須有訪問SCU的物理權限。	DS1963S作為協處理器	較理想的解決方案是把DS1963S作為“協處理器”，用于SCU中的器件認證和數據確認。探測時可保證密碼安全。但是，如果填充數據(原始簽名)已知，該協處理器可被用來生成合法的服務數據簽名。

競爭者攻擊

競爭者攻擊是試圖通過故意破壞數據，人為地使系統名譽受損的攻擊方式。

條件	器件	防御攻擊的方式
令牌必須提供給惡意攻擊者。	DS1963S	所有使令牌無效的數據都可被重寫。然而，通過檢查與之相聯系的寫頁面次數計數器可以檢測到寫密碼操作。如果器件與正確數據及密碼一起重新裝入，則它可以被重復利用。
令牌必須提供給惡意攻擊者。	DS1961S, DS2432, DS28E01	目標器件具有保護特性，向用戶存儲器寫數據時需要正確的MAC。由于攻擊者不知道密碼，因此寫器件是不可能的。目標器件也有針對密碼的寫保護機制。為防止攻擊者重寫密碼，該特性必須使能。

結束語

數據和硬件認證是各種服務應用(包括訪問控制和電子貨幣)的關鍵所在。移動令牌可以基于隨機質詢并使用加密性能好的雜散生成信息認證代碼(MAC)，是上述應用的理想選擇。Dallas Semiconductor的1-Wire SHA-1器件提供了一種經濟且堅固的解決方案。