SEC Xtractor: Extrahieren Von Daten Aus Elektronischen Geräten

Im Idealfall sollten Security Berater, die zumindest einen einfachen Schaltkreis verstehen, mithilfe eines Tools jede Art von Speicherchip auslesen können – ohne zu löten. Aus dieser Motivation heraus, ist das Speicherextraktions- und UART-Schnittstellenprojekt „SEC Xtractor“ entstanden. SEC Xtractor bietet Schnittstellen, die mit einfachen Verbindungskabeln und ZIF-Sockeln verdrahtet werden können. Der Chip muss zuvor lediglich vom Ziel entfernt werden.

Nach gründlicher Überlegung fiel die Wahl auf den FT2232HQ-Chip, der mit einem FT2232-Minimodul geliefert wird. Der allererste Prototyp zum Auslesen von Speicherchips war geboren!

Ein Prototyp entsteht

Während der Entwicklung der SEC Xtractor-Plattform sind unzählige Stunden in die Recherche und Auswahl von passenden Adaptern und Teilen für den Prototyp geflossen. Nachdem die ersten Binärdateien von nicht gelöteten Speicherchips erfolgreich ausgelesen wurden, wurde eine Platine geroutet. Es enthielt nur das Mini-Modul FT2232, das sich als das nützlichste Werkzeug zur Unterstützung der Spannungsumschaltung zwischen 3,3 V und 5,5 V entpuppte. Die parallelen Pin-Header wurden entsprechend der Speicherchipausrichtung mit Überbrückungsdrähten verbunden.

Durch diese einfache Platine entfaltet sich die volle Leistung des Mini-Moduls und diese kann für jedes Pentesting-Projekt mit eingebetteten Geräten genutzt werden. Bei einem durchgeführten Projekt hatten wir beispielsweise ein medizinisches Gerät mit einem NOR-Flash-Speicherchip, der die gesamte Firmware enthielt. Wir verwendeten eine Erweiterungsplatine mit einem Mikrocontroller, der einfach zu programmieren war, um den Inhalt über die UART-Schnittstelle auszulesen. Manchmal ist eine minimalistische Lösung die beste Lösung.

Für jedes neue Hardware-Audit oder IT-Forschungsprojekt mussten die Drähte neu angebracht werden. Sie sahen nicht nur chaotisch aus, sondern die Verbindungen waren auch so instabil, dass eine einfache Berührung während des Lesens fatale Folgen haben konnte. Darüber hinaus war deutlich mehr Fachkompetenz erforderlich, um dies überhaupt durchzuführen. Das übergeordnete Ziel der SEC Xtractor-Lösung war daher eine bessere Flexibilität für Tester ohne tiefgehende Hardware-Expertise, damit diese die Firmware ebenfalls sichern und testen können.

Parallel zur Entwicklung der Leiterplatten im SEC Consult Hardware Lab, kam ein Tool namens Hardsploit auf den Markt. Es handelte sich dabei um ein großes Breakout-Board mit einem FPGA. Zweifellos würde ein Softwareentwickler ohne Hardware-Kenntnisse das Board nicht einfach für seine Anforderungen adaptieren können, weil es zu komplex und nicht komplett Open Source zu sein schien. Die beste Wahl wäre eine Art kleiner 8-Bit-Mikrocontroller, etwas leistungsfähiger, in C programmierbar, aber nicht zu komplex und – im Idealfall – mit gebrauchsfertigen Adaptern für verschiedene Speicherchips, um sich die sonst nötige Verkabelung zu ersparen.

SEC Xtractor Version 1.0 – Die Erste Generation

Das Extension Board war mit einem ATXmega128A1U-Controller ausgestattet, einem einfach zu programmierenden 8-Bit-Mikrocontroller ohne großes Framework und Funktionswirrwarr. Es machte Sinn, es mit dem Mini-Modul FT2232 zu kombinieren. Um den Bereich der Zielgeräte zu erweitern, wurden allen Ein- und Ausgänge mit universellen Pegelumsetzern (TXS0108E-Q1) verbunden. Dies beinhaltet die Pins FT2232 und ATXmega128A1U.

Um das Chaos der Drähte wie in der Abbildung oben zu vermeiden, haben wir eine Stiftleiste entworfen, in die NAND- und NOR-Speicherchips eingebaut werden können. Der Pin-Header ist auf dem folgenden Bild in der linken unteren Ecke zu sehen. Aufgrund der Anzahl der Pins wirkt das Hinzufügen eines Mikrocontrollers zunächst wie ein provisorischer Hack. Nachdem jedoch einige Funktionen von JTAGenum und andere benutzerdefinierte Funktionen hinzugefügt wurden, erwies sich der ATXmega als immer nützlicher.

Als problematisch erweist sich ein falscher Spannungspegel, der im schlimmsten Fall das Zielgerät zerstören und die gesamte Sicherheitsüberprüfung zumindest verzögern oder gar unmöglich machen könnte. Es wurden daher drei Siebensegmentanzeigen hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die richtige Spannung für die jeweiligen Ein- und Ausgänge verwendet werden. Dieses zweiseitige Layout ist leicht reproduzierbar, selbst für Do-it-Yourself Handwerker, die gerne ätzen. Durchgangswiderstände sorgen für die nötige Flexibilität, wenn andere Werte benötigt werden (z. B. um die Spannungsgrenzen der einstellbaren Stromversorgung zu ändern). Dies ermöglicht es Herstellern und Hackern, die Hardware des SEC Xtractor für die gewünschten Anwendungen individuell anzupassen.

Der erste echte Einsatz war eine Shell, die ursprünglich für das einfache ATXmega-Breakout-Board (siehe vorheriges Bild) programmiert wurde. Sie war mit der (laut Datenblatt) höchsten offiziell verfügbaren Frequenz von 4M Baud über die erste serielle Schnittstelle mit der USB-Schnittstelle des FT2232-Mini-Moduls zu erreichen. Ein Übertakten des ATXmega wäre natürlich möglich und würde zum schnelleren Auslesen des Speichers führen.

Alle diese Sonderfälle wurden in den vielen Jahren, die für die Entwicklung der SEC Xtractor Hardware benötigt wurden, mit einer Vielzahl von Geräten durchgeführt. Ein Oszilloskop und eine Zählerimplementierung auf dem SEC Xtractor (siehe Abbildung unten) wurden zum ständigen Begleiter im SEC Consult Hardware Lab.

Bisherige Erfolge

SEC Xtractor wurde Ende 2016 für alle Arten von Projekten getestet und 2017 erstmals in einem Blogpost erwähnt. JTAG Brute-Forcing wurde mit der alten und der neuen Hardware getestet, um den korrekten Betrieb zu überprüfen. Mit Hilfe des SEC Xtractor entstand auch ein Security Advisory zu einem Oszilloskop. Der UART-Port (Tx Rx GND) des folgenden Bildes wurde verwendet, um eine Verbindung zum Gerät herzustellen und laufende Prozesse und die Firmware zu sichern.

2018 wurde der SEC Xtractor in einem längeren Forschungsprojekt zur Hardware-Sicherheit verwendet und 2019 erstmals auf der Black Hat Asia vorgestellt. Das Ergebnis war eine reverse-engineerte JTAG-Schnittstelle, ein ausgelesener NOR-Flash-Speicher und die Möglichkeit, eine Industrie-SPS von Siemens neu zu programmieren. Dafür kam die (rote) Nachfolgerversion von SEC Xtractor, nämlich Version 1.20, zum Einsatz. Die interne Stromversorgung wurde auf 2,7V verringert, damit die Pegelumsetzer die für die Niederspannungsspeicherchips und Mikroprozessoren erforderliche Grenze von 1,8V erreichen konnten.

SEC Xtractor Version 1.31 – Black Edition

Drei Jahre nach der Entstehung, glänzt die neue Version 1.31 mit benutzerfreundlichen Verbesserungen wie einem Taster, um den Programmspeicher neu zu schreiben, und zusätzlichen Beschriftungen. Ein Open-Source-Bootloader wurde verwendet, um das Gerät über USB programmieren zu können. Es ist kein externer Programmierer erforderlich, um den ATXmega-Mikrocontroller zu aktualisieren. Passend zum Start der Black Hat Europe 2019 Arsenal wurde die Farbe Schwarz für die Hauptplatine und die NAND / NOR-Adapter gewählt.

Dieses Projekt ist jetzt öffentlich verfügbar und wir freuen uns über Feedback aus der Hacker-Community! Neue Designs mit anderen Mikrocontrollern können dank der getrennten Hardware-Abstraktionsschicht jederzeit in der Firmware implementiert werden. Wolfgang Ettlinger kümmerte sich um das Refactoring und die Feinabstimmung der Shell und der Gesamtstruktur, die eine Trennung möglich machen. Der UART-Scanner, ein weiterer wichtiger Teil, wurde von Steffen Robertz neu implementiert. Er restrukturierte und erweiterte auch die NAND / NOR-Chip-Funktionen.

Ein Bilderbuch-Beispiel ist das Auslesen des NAND-Flash-Speichers. Ein Foto zeigt den Zusammenbau typischer Speicherchips in den Adaptern: