2024 年 8 月，Raspberry Pi 发布了其最新的微控制器 RP2350，这款芯片在设计之初就集成了主动安全特性，包括故障注入检测器、冗余协处理器等硬件防护机制。然而，在随后的 RP2350 黑客挑战赛中，研究人员发现了多种绕过安全启动的方法，其中最引人注目的是引导向量解析漏洞和双故障注入攻击。本文将深入分析这些攻击的硬件级实现细节，为硬件安全设计提供可落地的技术参考。
RP2350 安全架构与黑客挑战背景
RP2350 作为 Raspberry Pi 的首款具备主动安全防护的 MCU，其安全架构在纸面上相当完善。芯片集成了多个安全层：引导 ROM 签名验证、一次性可编程（OTP）存储器保护、调试接口访问控制，以及专门针对故障注入攻击的硬件检测器。这些设计旨在防止物理攻击者通过电压毛刺、电磁干扰等手段绕过安全机制。
Raspberry Pi 采取了前所未有的透明安全策略，公开举办了 RP2350 黑客挑战赛，邀请全球安全研究人员攻击芯片的安全启动实现。这一挑战在 2025 年 1 月结束，共发现了 5 种不同的攻击方法，其中两种攻击 —— 引导向量故障注入和双故障 OTP 读取 —— 在 39C3 会议上被详细披露。
引导向量解析漏洞：故障注入绕过签名验证
安全启动的核心在于验证引导代码的数字签名，确保只有经过授权的固件能够执行。RP2350 的引导 ROM 在执行签名验证后，会从验证通过的镜像中读取引导向量（boot vector）—— 即程序计数器（PC）和栈指针（SP）的初始值。这个看似简单的过程隐藏着关键的安全漏洞。
攻击者发现，通过在引导 ROM 读取引导向量的精确时刻注入电压毛刺，可以强制芯片使用未经验证的引导向量。具体而言，攻击时序需要控制在签名验证完成之后、引导向量被实际使用之前的纳秒级窗口内。当电压毛刺发生时，芯片的电源管理单元会暂时失效，导致引导向量寄存器被错误地写入攻击者控制的值。
技术参数要点：
- 攻击窗口：签名验证完成后的 10-50 纳秒
- 电压毛刺幅度：正常电压的 60-80%（约 1.8-2.4V）
- 毛刺持续时间：5-20 纳秒
- 注入点：芯片的 VDD 核心电源引脚
这种攻击完全绕过了数字签名验证，因为攻击发生在验证逻辑已经 "认为" 签名有效之后。芯片会直接跳转到攻击者指定的地址执行任意代码，而无需破解加密算法或获取私钥。
双故障注入攻击：OTP 秘密直接读取
更复杂的攻击是针对 OTP 存储器的双故障注入。OTP 中存储着芯片的唯一标识符、加密密钥和安全配置位等敏感信息。RP2350 的 OTP 保护机制包括多重读取验证和硬件保护锁，理论上应该防止未经授权的访问。
攻击流程分为两个阶段：
第一阶段：配置位验证绕过 引导 ROM 在启动时会读取 OTP 中的安全配置位，验证调试接口是否被正确禁用。攻击者在这个读取操作的精确时刻注入第一个电压毛刺，使芯片错误地认为配置位已正确设置（调试接口已禁用），而实际上读取操作被中断。
第二阶段：无效状态利用 由于第一个毛刺导致配置位读取不完整，芯片进入了一个设计者未预料到的无效状态：ARM 和 RISC-V 核心都被标记为 "禁用"。按照正常逻辑，芯片应该挂起或进入安全恢复模式。然而，攻击者发现这个特定无效状态触发了备用引导路径 —— 芯片转而引导 RISC-V 核心。
RISC-V 核心在 RP2350 架构中缺乏 ARM 核心的安全飞地模式，其调试接口在默认状态下是可访问的。攻击者通过 RISC-V 的调试接口，可以重新启用 ARM 核心的调试功能，然后执行部分系统复位，绕过所有安全限制直接访问 OTP 内容。
双故障时序参数：
- 第一毛刺：配置位读取开始后 15-25 纳秒
- 第二毛刺：芯片状态机切换到 RISC-V 引导路径时
- 毛刺间隔：100-200 纳秒
- 电压下降斜率：>5V / 纳秒
攻击实现细节：硬件级工程参数
成功实施这些攻击需要精密的硬件设备和精确的时序控制。以下是关键工程参数：
1. 电压毛刺注入设备
- 基础设备：函数发生器 + 高速 MOSFET 开关
- 开关速度：上升 / 下降时间 < 2 纳秒
- 输出阻抗：< 1 欧姆（确保足够的电流驱动能力）
- 电压精度：±50mV（在 1.8-3.3V 范围内）
2. 时序同步机制
- 触发源：芯片的复位引脚或时钟信号
- 延迟控制：可编程延迟线，分辨率 1 纳秒
- 抖动容限：系统时钟抖动的 ±5 纳秒内保持有效
3. 监测与反馈
- 电流监测：监测芯片核心电流变化，确认毛刺生效
- 电压监测：实时监测 VDD 引脚电压，确保毛刺参数准确
- 执行验证：通过调试接口验证攻击是否成功
4. 环境条件
- 温度控制：25°C ± 5°C（温度影响晶体管开关速度）
- 电源稳定性：基础电源纹波 < 20mVpp
- 电磁干扰：在屏蔽环境中进行，防止外部干扰影响时序
防御建议与工程化缓解措施
基于对攻击的深入分析，我们提出以下可落地的防御建议：
1. 硬件设计层面
- 冗余验证机制：引导向量应进行双重验证，分别在签名验证前后检查一致性
- 状态机保护：为所有可能的状态转换添加完整性检查，防止进入未定义状态
- 电压毛刺检测器：在关键电源路径上集成更灵敏的毛刺检测电路，检测阈值降至 100mV / 纳秒
- 时序随机化：关键操作的执行时间加入随机延迟，增加攻击时序控制的难度
2. 固件 / ROM 设计
- 安全状态恢复：为所有无效状态定义明确的安全恢复路径，而非依赖备用引导
- 配置位锁定：OTP 配置位读取后立即锁定，防止后续修改
- 执行环境隔离：RISC-V 核心应具备与 ARM 核心同等级别的安全隔离
3. 系统级防护
- 物理防护层：在封装层面添加电压毛刺检测网格
- 电源监控：集成片上电源质量监测，异常时立即进入安全状态
- 调试接口管理：所有调试接口的启用需要多重验证，包括 OTP 配置和运行时状态检查
4. 测试与验证
- 故障注入测试：在芯片设计阶段进行系统的故障注入测试，覆盖所有可能的攻击向量
- 边界条件测试：专门测试各种无效配置状态下的芯片行为
- 第三方审计：定期进行独立的硬件安全审计，采用与攻击者相同的工具和方法
行业影响与透明安全生态的价值
RP2350 黑客挑战赛的成功不仅暴露了芯片的安全漏洞，更重要的是展示了透明安全生态系统的价值。Raspberry Pi 的开放态度 —— 公开漏洞细节、与研究人员合作改进设计、在新修订版芯片中实施缓解措施 —— 为整个半导体行业树立了榜样。
这种透明模式带来了多重好处：
- 加速安全改进：公开的研究成果使所有芯片设计者都能从中学习，避免重复错误
- 建立信任：公开承认并修复漏洞增强了用户对产品的信任
- 推动标准：实际攻击案例为硬件安全标准的制定提供了实证基础
- 教育价值：详细的技术分析培养了新一代硬件安全研究人员
对于嵌入式系统和物联网设备制造商，RP2350 的案例提供了重要的教训：硬件安全不能仅依赖纸面设计，必须通过实际的攻击测试来验证。安全启动的实现需要考虑物理攻击向量，而不仅仅是软件层面的防护。
结论
RP2350 的引导向量解析漏洞和双故障注入攻击揭示了现代微控制器安全设计的深层次挑战。这些攻击利用了硬件状态机、电源管理和安全验证逻辑之间的微妙交互，展示了即使具备先进防护功能的芯片也可能被相对简单的物理攻击所突破。
关键的技术启示包括：
- 安全验证的时序窗口必须尽可能缩小或消除
- 所有可能的状态转换都需要明确定义和安全处理
- 多核心架构中的安全隔离必须一致且完整
- 物理攻击防护需要从芯片设计初期就集成考虑
随着物联网设备的普及和硬件攻击工具的平民化，硬件安全的重要性日益凸显。RP2350 的经验告诉我们，真正的安全来自于持续的研究、透明的协作和从攻击中学习的意愿。只有通过这种开放、务实的态度，我们才能构建真正可信的硬件安全基础。
资料来源：
- 39C3 会议演讲 "Of Boot Vectors and Double Glitches: Bypassing RP2350's Secure Boot"
- Keysight 博客 "Security Highlight: RP2350 Hardware Attacks"
- Raspberry Pi 官方发布的 RP2350 黑客挑战赛结果