無(wú)人機(jī)曾一度用來(lái)基礎(chǔ)的地面?zhèn)刹榛蚴强觳偷晁团_……然而從去年開(kāi)始，無(wú)人機(jī)被用來(lái)搭載炸彈運(yùn)送到戰(zhàn)場(chǎng)，甚至是被用來(lái)攻擊智能手機(jī)。
正是因?yàn)槠占懊娴奶岣?，無(wú)人機(jī)也被眾多黑客盯上，他們熱衷于找尋相關(guān)漏洞劫持無(wú)人機(jī)。最近在看雪安全開(kāi)發(fā)者峰會(huì)上，阿里安全I(xiàn)oT安全研究團(tuán)隊(duì)Leader謝君發(fā)表了“如何黑掉無(wú)人機(jī)”這一議題演講，內(nèi)容卻另辟蹊徑講到如何不利用漏洞root無(wú)人機(jī)。
謝君：我分享的議題是如何黑掉某品牌無(wú)人機(jī)。我在研究過(guò)程中從物理接觸和非物理接觸兩個(gè)方面對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，今天我將分享研究過(guò)程中的一些收獲以及學(xué)到的東西。
無(wú)人機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及結(jié)構(gòu)工程、自動(dòng)化控制，空氣動(dòng)力學(xué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理以及各種傳感器、無(wú)線通訊，以及與星空人工智能相關(guān)的深度學(xué)習(xí)。
我將整個(gè)系統(tǒng)全部拆開(kāi)，發(fā)現(xiàn)其中應(yīng)用了哪些硬件、傳感器、芯片。其中涉及到不同傳感器及控制系統(tǒng)，很多嵌入式芯片沒(méi)有OS的概念，所有代碼直接上位機(jī)執(zhí)行，通過(guò)實(shí)時(shí)中斷以及計(jì)時(shí)器和IO的控制來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作。
模塊間通信
我在此基于某品牌的無(wú)人機(jī)進(jìn)行分析，包括無(wú)線通訊、飛行控制、微機(jī)電傳感器、機(jī)器視覺(jué)處理。實(shí)際上這些微控制芯片來(lái)自不同廠商，要實(shí)現(xiàn)傳感器芯片間的通訊，必須滿(mǎn)足相應(yīng)的通信規(guī)范，才能協(xié)同自如。
所以產(chǎn)商設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)各模塊間的通信協(xié)議，協(xié)議滿(mǎn)足全系列消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的產(chǎn)品，定義不超過(guò)32個(gè)硬件功能模塊，硬件功能模塊下面則可以定義子功能模塊。
比如飛控系統(tǒng)用03表示，06表示飛控系統(tǒng)下的子控制功能，如支持的飛機(jī)起降功能等。再比如攝像頭采集系統(tǒng)是用01編號(hào)，云臺(tái)控制系統(tǒng)是用04編號(hào)。在傳輸過(guò)程中，這些編號(hào)將會(huì)通過(guò)算法來(lái)編碼。
這些不同傳感器間通訊鏈路有多種，通訊協(xié)議可劃分為本地的、通過(guò)串口的、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等，其中運(yùn)用多的通訊協(xié)議分別是logic和V1。logic像進(jìn)程間通訊的方式，V1是不同硬件間遠(yuǎn)程通訊的協(xié)議方式。
模塊間通信也采用了相應(yīng)的隔離，類(lèi)似現(xiàn)在的汽車(chē)系統(tǒng)，汽車(chē)有不同ECU模塊，各個(gè)模塊通訊有一定的通訊協(xié)議和格式，以及網(wǎng)關(guān)隔離某些子系統(tǒng)不允許公共訪問(wèn)。
而無(wú)人機(jī)里的GPS模塊，只允許飛控系統(tǒng)訪問(wèn)，其他應(yīng)用系統(tǒng)則不被允許。
整個(gè)無(wú)人機(jī)的通訊結(jié)構(gòu)，類(lèi)似下圖，不同傳感器間通訊存在一定路徑，且有一定限制。這是無(wú)人機(jī)通訊格式，可以看出存在一定規(guī)范比如一定以55開(kāi)頭，每一個(gè)包的長(zhǎng)度不能超過(guò)固定字節(jié)，以及控制命令設(shè)置有一些校驗(yàn)位，且對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)的編碼需要通過(guò)一定算法來(lái)計(jì)算。
無(wú)人機(jī)的核心中心橋的控制板，主要是基于LC1860 SoC所做的控制板，其主要功能是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)以及固件更新和攝像內(nèi)容采集、攝像內(nèi)容數(shù)據(jù)壓縮、編碼和圖象深度學(xué)習(xí)，IOR檢測(cè)等。
這個(gè)LC1860芯片運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，下面是三星的EMCP，其是集LPDDR和eMMc于一體的存儲(chǔ)芯片，也是操作系統(tǒng)存放地方。
下面這一塊芯片intelMovidusMA2155，是英特爾圖像深度學(xué)習(xí)芯片，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)不能聯(lián)網(wǎng)，在需要做實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)分析時(shí)，需要用到大量的矢量運(yùn)行。而此芯片在無(wú)人機(jī)上面的應(yīng)用有視覺(jué)測(cè)距，障礙物識(shí)別以及ROI。當(dāng)該無(wú)人機(jī)進(jìn)行跟隨飛行時(shí)，可通過(guò)CNN建立好的深度學(xué)習(xí)模型，進(jìn)行精確判斷。
LATTICE的FPGA芯片，主要用于雙目避障功能，通過(guò)可見(jiàn)光反射回來(lái)檢測(cè)障礙物的存在。
root無(wú)人機(jī)
在研究IOT設(shè)備時(shí)談到最多的詞就是能否root這臺(tái)設(shè)備，root設(shè)備意味著可以獲得系統(tǒng)很高的控制權(quán)。為什么要root無(wú)人機(jī)？目的是擴(kuò)大攻擊面，更好的研究無(wú)人機(jī)。
而在研究的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)root無(wú)人機(jī)最好的辦法是利用合適的漏洞，執(zhí)行打開(kāi)Adb接口功能，就能得到系統(tǒng)的rootshell了。如果沒(méi)有漏洞該怎么辦？有意思的是我們發(fā)現(xiàn)不用漏洞也可以root無(wú)人機(jī)。
其實(shí)此方法可以運(yùn)用到諸多領(lǐng)域，比如某些路由器。研究過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)腳本里有一個(gè)變量控制ADB功能能否打開(kāi)，默認(rèn)出廠ADB不能打開(kāi)。ADB功能接口在安卓手機(jī)應(yīng)用廣泛，怎樣打開(kāi)此ADB功能，一種是利用漏洞執(zhí)行ADB_en.sh的腳本，另一種方法是直接修改該啟動(dòng)腳本的變量。
同樣，我們不通過(guò)漏洞的方式root無(wú)人機(jī)，因?yàn)榘沧肯到y(tǒng)存在三星EMCP里面，是集內(nèi)存和存儲(chǔ)于一體的EMCP芯片，如果我們可以修改這個(gè)芯片里面的內(nèi)容就可以直接root無(wú)人機(jī)了。
具體操作步驟是：首先找到這塊存儲(chǔ)芯片的位置，用電熱風(fēng)槍把它吹下來(lái)，然后用eMMC的讀書(shū)卡讀取內(nèi)容，此時(shí)即找到eMMC讀卡器，把eMMC插到電腦可以看到一個(gè)彈出顯示存儲(chǔ)器里面的空間和內(nèi)容，找到設(shè)置調(diào)試變量的地方，修改后再寫(xiě)到eMCP里面焊回來(lái)。
有一個(gè)小細(xì)節(jié)是，因?yàn)榇鎯?chǔ)器里的內(nèi)容有分區(qū)，需要將這些系統(tǒng)分區(qū)用Ext4的方式掛載，修改后保存，再剪輯切回EMCP的芯片里，后續(xù)我們需要把它焊回去。再運(yùn)行直接ADB打開(kāi)，就可以得到root權(quán)限，成功后可以看到它的系統(tǒng)信息和進(jìn)程。
這一過(guò)程涉及到許多復(fù)雜問(wèn)題，比如要手工脫焊和焊接的過(guò)程，此芯片是BGA封裝，引腳多，引腳間距小，且芯片底座里面人為灌入黑膠，對(duì)操作過(guò)程帶來(lái)很大不便，操作不當(dāng)易使芯片廢掉，手工操作難度極高。
飛控系統(tǒng)
飛控系統(tǒng)，是無(wú)人機(jī)里面的核心。因?yàn)闀?huì)搜集到無(wú)人機(jī)各個(gè)傳感器模塊的一系列數(shù)據(jù)，通過(guò)一些綜合算法來(lái)判斷飛控系統(tǒng)應(yīng)該如何操作。
飛控系統(tǒng)核心芯片是ATSAME70Q21，其不需要外置存儲(chǔ)器存儲(chǔ)它的部件以及算法，與之相關(guān)有兩塊IMU陀螺儀以及加速度計(jì)，檢測(cè)飛機(jī)處于什么狀態(tài)。
氣壓計(jì)，主要為了檢測(cè)飛機(jī)的高度，作為一個(gè)飛機(jī)高度的判斷因素。
UbloxGPS模塊，是一個(gè)可編程的模塊，因?yàn)轱w控和GPS通訊有一個(gè)協(xié)議交互，并不是說(shuō)任何一個(gè)GPS模塊都可以替換它，但可以做一些欺騙GPS的事情。
指南針模塊，主要用于方向的定位。
智能電源，智能電源是用德州儀器MSP430G275516位的微控制芯片，它主要是收集電源現(xiàn)在狀態(tài)，保持了何時(shí)放電，何時(shí)通過(guò)飛控系統(tǒng)在電量低于某值時(shí)返航。
電調(diào)芯片，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)有四個(gè)螺旋槳，四個(gè)馬達(dá)，每一個(gè)馬達(dá)需要一個(gè)電調(diào)的芯片控制轉(zhuǎn)速，控制不同的馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，來(lái)達(dá)到控制飛行姿態(tài)以及速度的操作。
視覺(jué)系統(tǒng)
視覺(jué)系統(tǒng)，這是無(wú)人機(jī)里面非常重要的功能，里面核心處理芯片是英特爾的MA2155深度學(xué)習(xí)處理芯片。
飛機(jī)搭載攝像頭首先可以進(jìn)行視頻錄制、拍照，圖像內(nèi)容輸出給視覺(jué)處理芯片來(lái)完成視覺(jué)識(shí)別等功能，其中一個(gè)功能是飛行跟隨，即在手機(jī)屏幕上選點(diǎn)跟隨飛行的目標(biāo)，無(wú)人機(jī)可以跟隨他/它飛行，此時(shí)時(shí)候就利用芯片強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)能力，對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。
還有一個(gè)功能是測(cè)距，通過(guò)MA2155這塊深度學(xué)習(xí)芯片來(lái)完成視覺(jué)測(cè)距的功能，飛機(jī)前后障礙物的距離通過(guò)圖象識(shí)別的方式識(shí)別出來(lái)。
另一個(gè)功能是雙目避障，這是觀測(cè)傾斜度70度是否有障礙物，通過(guò)發(fā)射端發(fā)射出去的光反射回來(lái)在接收端接受。
超聲波可檢測(cè)下方障礙物以及檢測(cè)地面。
無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)
無(wú)線通訊，是無(wú)人機(jī)里面最核心的一塊功能，也是最復(fù)雜的一塊功能，涉及到控制系統(tǒng)和圖象傳輸?；驹砭褪乔岸说氖瞻l(fā)器收到信號(hào)，通過(guò)基帶系統(tǒng)進(jìn)行解碼，解碼后通過(guò)搖控器的LPC1549芯片處理進(jìn)而通過(guò)Cypress的USB芯片反饋到手機(jī)上。
無(wú)線通訊是通過(guò)OFDM方式進(jìn)行圖傳以及數(shù)控的傳輸，其特點(diǎn)是控制通道數(shù)據(jù)通過(guò)遙控器通過(guò)1Mhz帶寬的跳頻發(fā)送，飛機(jī)回傳的圖象和控制通道回傳數(shù)據(jù)通過(guò)10Mhz帶寬進(jìn)行定頻傳輸。
為了保證數(shù)控通道及時(shí)性，采取定時(shí)跳頻的方式。因?yàn)橛锌赡苄盘?hào)會(huì)被干擾，在某一個(gè)特定頻點(diǎn)時(shí)會(huì)被干擾，如果被干擾的話(huà)，飛機(jī)可能收不到遙控器的一些數(shù)據(jù)，此時(shí)我們需要切換不同的頻點(diǎn)，找信噪比高的地方，保證它的可靠性。
它在FCCID通信管理局申請(qǐng)的5G頻段的頻寬執(zhí)照在5727-5821Mhz，但實(shí)際上，其操作已超過(guò)通訊管理局規(guī)定的頻段。在我們研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)濫用這個(gè)頻段的資源已達(dá)5845Mhz。遙控器與飛機(jī)如何進(jìn)行識(shí)別，需要配對(duì)及連接過(guò)程。
配對(duì)的唯一信息來(lái)自遙控器，所有信息都是遙控發(fā)給無(wú)人機(jī)，配對(duì)成功后可以在操作過(guò)程中識(shí)別到哪個(gè)是我控制的無(wú)人機(jī)，且這些控制配對(duì)信息皆通過(guò)搖控器芯片LPC1549的序列號(hào)生成。
基本上無(wú)線通訊架構(gòu)的過(guò)程，首先是搖控器先初始化芯片，然后初始化基站系統(tǒng)各個(gè)寄存器，寄存器里存入了唯一可以配對(duì)碼的信息。這個(gè)配對(duì)碼有五個(gè)字節(jié)，寫(xiě)入到寄存器里面，真正用到只有三個(gè)字節(jié)，所以就有可能無(wú)線期劫持無(wú)人機(jī)。
無(wú)線通訊傳輸?shù)倪^(guò)程其實(shí)是非對(duì)稱(chēng)傳輸，無(wú)人機(jī)遙控器發(fā)的信息跳頻傳輸給飛機(jī)，接收端也是跳頻接收，但是圖傳和下行通道是由飛機(jī)以定頻的方式發(fā)送，且這些跳頻算法都是通過(guò)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
下圖即遙控器用于檢測(cè)飛機(jī)是否配對(duì)的算法檢測(cè)基帶芯片SPI地址0xE4、0xE5、0xE6進(jìn)行比較。所以劫持一臺(tái)無(wú)人機(jī)，我們可以通過(guò)暴力破解的方式，用所有的密鑰空間進(jìn)行離線的破解，找到配對(duì)碼，去控制無(wú)人機(jī)，在控中時(shí)候就可以動(dòng)態(tài)改掉配對(duì)碼，讓這個(gè)無(wú)人機(jī)屬于你。
無(wú)人機(jī)反調(diào)對(duì)抗技術(shù)
我們也發(fā)現(xiàn)了一些硬件的反調(diào)技術(shù)和軟件的反調(diào)技術(shù)，比如說(shuō)用atmel芯片的安全位置1，可以阻止外置硬件仿真器的掛載調(diào)試，遙控器的LPC1549通過(guò)ADC的粒度檢測(cè)來(lái)檢測(cè)調(diào)試器，LightBridge用的stm32F103芯片通過(guò)remapSWD IO來(lái)使用swd調(diào)試接口失效，通過(guò)遙控器的硬件開(kāi)關(guān)電路來(lái)阻止LPC1549芯片硬件仿真調(diào)試。
最后還有很多工作還沒(méi)有來(lái)得及做，未來(lái)我們會(huì)更加深入的研究各個(gè)硬件模塊的功能hacking以及進(jìn)行一些想法的驗(yàn)證工作。
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