第4章嵌入式目标基础

第4章：嵌入式目标基础：AVR架构简介、SimpleSerial协议、目标板上的加密算法（AES-128）

好，咱们进入正题。这一章要聊的是嵌入式目标的基础知识。说白了，就是你要攻击的那个“靶子”到底长什么样。

我刚开始接触侧信道攻击时，也犯过嘀咕：不就是个单片机嘛，有什么好研究的？结果第一次采集功耗曲线，波形乱七八糟，完全看不出门道。后来才明白——不了解目标架构，你连功耗曲线都读不懂。

4.1 AVR架构：你攻击的“心脏”

ChipWhisperer 课程里最常用的目标，就是基于 AVR 架构的芯片，比如 ATmega328P 或 ATmega1284P。为什么选它？因为 AVR 的指令集简单、功耗特征明显，非常适合入门。

AVR 是哈佛架构，什么意思？程序存储器和数据存储器是分开的。程序跑在 Flash 里，数据存在 SRAM 里。这跟你的电脑不太一样——电脑是冯·诺依曼架构，代码和数据混在一起。

我个人习惯把 AVR 的寄存器文件看作一个“小操场”。32 个通用寄存器，每个 8 位，它们直接连到 ALU（算术逻辑单元）。你执行一条加法指令，操作数从寄存器里取，结果写回寄存器。整个过程，电流消耗会随着数据变化而波动。

关键点：AVR 的功耗与正在处理的数据强相关。你操作 0x00 和操作 0xFF，电流差很明显。这就是侧信道攻击能成功的基础。

我在项目中遇到过一个问题：用 ChipWhisperer 采集 AVR 的功耗曲线，发现波形每隔一段就有个“尖刺”。排查了半天，原来是 AVR 内部的硬件乘法器在作怪。执行 MUL 指令时，电流会突然增大。嗯，这些小细节，你不做实际测试根本想不到。

AVR 指令执行流程

一条指令的执行，大致分三步：

取指（Fetch）：从 Flash 中读取指令码。这时候电流相对平稳。
译码（Decode）：解析指令含义。电流变化不大。
执行（Execute）：真正干活的时候。如果是算术运算，电流波动最明显。

你想想看，我们采集功耗曲线，其实就是在记录这些电流变化。攻击 AES 时，我们重点关注“执行”阶段——特别是 S 盒查表操作。因为查表时的地址和数据，直接暴露了密钥信息。

小技巧：在 ChipWhisperer 的 Scope 设置里，可以调整采样率和触发位置。我一般把采样率设为 4 倍于目标时钟频率，这样能捕捉到指令执行的细节。

4.2 SimpleSerial 协议：你与目标的“对话”方式

好，现在你知道目标芯片是 AVR 了。但你怎么跟它通信？怎么告诉它“嘿，给我加密一段数据”？

这就用到 SimpleSerial 协议了。这是 ChipWhisperer 项目定义的一个轻量级通信协议，通过 UART 串口传输。说白了，就是一行一行的 ASCII 字符串。

SimpleSerial 的格式很简单：

p<plaintext_hex>\n   // 发送明文
k<key_hex>\n          // 发送密钥
r<ciphertext_hex>\n   // 接收密文

举个例子，你想让目标加密一个全零的明文块，密钥也是全零：

发送: p00000000000000000000000000000000
发送: k00000000000000000000000000000000
接收: r66e94bd4ef8a2c3b884cfa59ca342b2e

我曾经踩过一个坑：发送的十六进制字符串长度不对。AES-128 的明文和密钥都是 16 字节，也就是 32 个十六进制字符。少一个字符，目标板就不响应。排查了半天，才发现是脚本里多了一个空格。

注意：SimpleSerial 协议不包含校验和。如果你在 noisy 的环境下通信，可能会收到错误数据。我建议在 PC 端做一次 CRC 校验，或者多发几次取平均值。

SimpleSerial 在 ChipWhisperer 中的实现

ChipWhisperer 的 Python 库已经封装好了 SimpleSerial 的收发函数。你不需要自己写串口解析代码。调用方式如下：

import chipwhisperer as cw

# 初始化目标
target = cw.target(scope, cw.targets.SimpleSerial)

# 发送明文和密钥
target.simpleserial_write('p', plaintext)
target.simpleserial_write('k', key)

# 读取密文
ciphertext = target.simpleserial_read('r', 16)

嗯，这里要注意：simpleserial_read 的第二个参数是期望接收的字节数。AES-128 的密文是 16 字节，所以填 16。如果你填错了，程序会一直等，直到超时。

4.3 目标板上的加密算法：AES-128

终于到核心了。目标板上跑的加密算法，就是 AES-128。为什么选它？因为 AES 是工业标准，而且它的 S 盒操作对侧信道攻击特别“友好”。

AES-128 的加密过程，我简单过一遍：

AddRoundKey：明文与初始密钥异或。
SubBytes：每个字节通过 S 盒替换。这是最关键的步骤。
ShiftRows：行移位。
MixColumns：列混合。
AddRoundKey：与轮密钥异或。
重复 9 轮（第 1-9 轮包含 MixColumns，第 10 轮没有）。

你可能会问：为什么 S 盒操作是攻击重点？因为 S 盒是一个非线性替换表。输入是 8 位数据，输出也是 8 位数据。攻击者可以通过功耗曲线，反推出 S 盒的输入值，进而推导出密钥。

核心思想：在 SubBytes 步骤，芯片会读取 S 盒的某个位置。这个位置由“明文异或密钥”决定。如果我们知道明文，再通过功耗曲线猜出 S 盒的输入，那密钥就等于“输入异或明文”。

我在实际项目中，曾经用 ChipWhisperer 攻击过一个 AVR 目标。第一轮 SubBytes 的功耗特征非常明显——波形上会出现 16 个“小鼓包”，每个鼓包对应一个字节的 S 盒查表。你只要对准这些鼓包的位置，就能提取出 16 个字节的密钥。

AES-128 在 AVR 上的实现

ChipWhisperer 的固件里，AES 是用 C 语言写的，编译后烧录到 AVR 里。代码实现很标准，没有加任何防护。说白了，就是“裸奔”的 AES。

我建议你读一下固件源码，位置在 chipwhisperer/hardware/victims/firmware/simpleserial-aes/。重点关注 aes.c 里的 SubBytes 函数：

void SubBytes(uint8_t *state) {
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        state[i] = sbox[state[i]];
    }
}

你看，这个循环就是 16 次 S 盒查表。每次查表，AVR 都要从 Flash 里读取 sbox 数组的一个元素。读取 Flash 时的电流消耗，跟读取的地址和数据都有关。这就是我们攻击的切入点。

实战建议：刚开始练习时，不要一上来就攻击完整的 AES。先攻击第一个字节。只采集第一轮 SubBytes 的功耗曲线，然后尝试恢复第一个字节的密钥。成功之后，再扩展到 16 个字节。这样能帮你建立信心。

4.4 本章知识体系

下面这张图，是我自己画的本章知识结构。你可以把它当作一个“地图”，随时回来查阅。

这张图把本章的三个核心内容串起来了。AVR 是“身体”，SimpleSerial 是“嘴巴”，AES 是“大脑”。你通过嘴巴告诉身体做什么，身体执行大脑的指令，同时泄露功耗信息。

我个人觉得，理解这三者的关系，是入门侧信道攻击最重要的一步。很多初学者一上来就盯着算法看，忽略了硬件和通信协议。结果采集到的数据不对，还以为是算法分析出了问题。

避坑指南：我曾经犯过一个低级错误——忘记检查目标板的时钟频率。AVR 默认跑 7.37MHz，但我的 ChipWhisperer 采样率设成了 10MS/s。结果波形 aliasing，完全没法分析。记住：采样率至少要是时钟频率的 2 倍，我建议 4 倍以上。

好了，这一章的内容就到这里。你掌握了 AVR 的基本架构，知道了 SimpleSerial 怎么用，也理解了 AES-128 的加密流程。下一章，我们会真正动手，用 ChipWhisperer 采集第一条功耗曲线。

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