USB Flash闪存驱动器安全分析教学文档

1. 研究背景与概述

本教学文档基于SySS IT安全专家Matthias Deeg对Verbatim Keypad Secure等带有AES硬件加密功能的USB闪存驱动器的安全分析研究。研究发现，尽管这些设备宣称具有256位AES硬件加密和生物识别技术，但实际上存在多个严重安全漏洞。

2. 测试方法论

2.1 硬件分析

• 拆解硬件并识别关键组件
• 主要组件包括：
  • NAND闪存芯片(TS1256G181)
  • 内存控制器(MARVELL-88NV1120)
  • USB至SATA桥接控制器(INIC-3637EN)
  • SPI闪存芯片(XT25F01D)
  • 键盘控制器(SW611 2121)

2.2 固件分析

• 获取设备固件(通过内存转储或下载)
• 使用工具如Ghidra进行反汇编和反编译
• 分析固件验证机制(发现仅使用简单的CRC-16检查)

2.3 软件分析

• 对设备客户端软件进行静态代码审查和运行时监控
• (Verbatim Keypad Secure无软件组件，故未进行此项分析)

3. 攻击面与场景

攻击需要物理接触设备，可在以下阶段实施：

1. 供应链攻击(用户使用前)
2. 用户使用后攻击
3. 针对丢失/被盗设备的攻击
4. 临时物理访问攻击

4. 安全USB闪存驱动器应有的安全特性

1. 所有用户数据安全加密
2. 仅授权用户可访问数据
3. 无法规避的用户认证流程
4. 连续X次失败尝试后自动重置
5. 设备完整性加密保障
6. 离线暴力破解成本极高
7. 庞大的密钥搜索空间(如2^256)
8. 难以提取必要数据(需高级设备/专业知识)

5. 发现的安全漏洞

5.1 锁定和重置功能失效(CVE-2022-28386)

• 宣称：20次密码尝试失败后锁定并需重新格式化
• 实际：无法实现锁定功能，可无限次尝试密码

5.2 加密实现缺陷(CVE-2022-28382)

• 使用AES-256-ECB模式，相同明文产生相同密文
• 加密数据中可见重复模式，缺乏扩散性
• 示例十六进制转储显示重复的16字节模式

5.3 固件验证不足(CVE-2022-28383)

• 固件验证仅使用XMODEM CRC-16算法
• 攻击者可植入恶意固件并通过校验和验证

5.4 用户认证缺陷(CVE-2022-28384)

• 使用可预测的hash32shift2002哈希函数
• 密码仅支持5-12位数字，搜索空间小
• 认证信息存储在SSD特殊块(如125042696号块)
• 可进行离线暴力破解攻击

6. 技术细节分析

6.1 加密分析

• 加密数据中可见重复模式表明使用ECB模式
• 相同16字节明文总是加密为相同16字节密文
• 缺乏密码学扩散性，可能泄露敏感信息

6.2 固件分析

• 使用Ghidra反汇编ARCompact架构固件
• 发现"魔法签名"INI(0x494e4920)用于验证
• 固件中包含π字节序列(未实际使用)
• 可修改固件并通过CRC-16校验

6.3 协议分析

• SPI通信协议支持6种命令：
  • 0xE1: 设备初始化
  • 0xE2: 设备解锁
  • 0xE3: 设备锁定
  • 0xE4: 未知
  • 0xE5: 密码修改
  • 0xE6: 未知
• 使用XMODEM CRC-16作为校验和

6.4 哈希函数分析

• 使用hash32shift2002整数哈希函数：

  uint32_t hash32shift2002(uint32_t hash) {
      hash += ~(hash << 15);
      hash ^= (hash >> 10);
      hash += (hash << 3);
      hash ^= (hash >> 6);
      hash += ~(hash << 11);
      hash ^= (hash >> 16);
      return hash;
  }
  

• 4位数字输入映射到32位哈希值(如"1111"→0x0AC91F2F)

6.5 用户认证实现

• 认证信息存储在SSD特殊块的前112字节(0x70)
• 解密后前4字节必须匹配"魔法签名"INI(0x494e4920)
• AES密钥来自键盘控制器的32字节SPI有效负载
• 特殊字节顺序：前16字节和后16字节颠倒

7. 攻击工具与方法

7.1 Verbatim Keypad Secure Cracker

• 离线暴力破解工具
• 通过分析SSD特殊块和哈希函数破解密码
• 示例成功输出：

  [*] Found a plausible magic sector for Verbatim Keypad Secure (#49428)
  [*] Initialize passcode hash table
  [*] Start cracking...
  [+] Success! The passcode is: 99999999
  

7.2 硬件暴力破解

• 拆卸键盘控制器并使用扩展板
• 使用Teensy USB开发板模拟按键操作
• 收集所有可能的4位输入哈希值创建查找表

8. 修复与防御建议

1. 使用更安全的加密模式(如CBC或GCM)替代ECB
2. 实现更强的固件验证机制(如数字签名)
3. 使用更安全的哈希算法(如PBKDF2或bcrypt)
4. 增加密码复杂度要求(允许字母和特殊字符)
5. 实现真正的尝试次数限制和锁定机制
6. 使用安全元件存储加密密钥
7. 实现硬件可信根

9. 总结与启示

本研究表明，市场上标榜"安全"的便携式存储设备仍存在已知安全问题：

1. 加密实现不当(使用ECB模式)
2. 固件保护不足
3. 用户认证机制薄弱
4. 安全声明与实际不符

这些发现强调了对安全设备进行独立验证的重要性，以及厂商需要采用更严格的安全实践。