FPL 2017最佳论文：如何对FPGA云发动DoS攻击?

本文作者@小哲打豆豆为雷锋网专栏作者，目前在多伦多大学电子工程系就读博士，以下为作者对于本篇论文的介绍。

第27届现场可编程逻辑与应用国际会议（The International Conference on Field-Programmable Logic and Applications，FPL）九月份在比利时根特召开。在FPL 2017上，一篇来自德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的论文《Voltage Drop-based Fault Attacks on FPGAs using Valid Bitstreams》获得了最佳论文奖，同时也成为了所有与会者谈论的焦点。

  背景介绍

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）因为其卓越的灵活性而越来越受到用户青睐。不论是低端的IoT设备，还是高端的云计算中心，FPGA在这些最新的应用场景下都展示出高效的计算能力。加上过去就一直在应用FPGA的关键行业，例如军工，航空航天等，诸多领域的发展都给FPGA的安全性带来了新的挑战。

之前对FPGA攻击的研究都是基于本地的，例如，更改FPGA的电源或时钟，或在管脚人为注入“特洛伊代码”。随着FPGA越来越多的在云计算中心中的应用，任何人都可以远程在服务器的FPGA上占用一部分逻辑门，将这个区域设置为自己需要的任意电路，以实现运算加速等功能。而之前，FPGA只能通过受信任的IP提供者被设置。这意味着FPGA在云计算这类应用中将前所未有的暴露自身的安全漏洞。

这项研究的威胁模型基于以下假设：攻击者可以重构部分或全部FPGA的逻辑门，目的是对系统发起DoS（Denial of Service）攻击。作者对两种FPGA分别进行了测试，一类是在云计算中心作为加速器的FPGA，另一类是有片上SoC的FPGA，这类FPGA多应用在IoT场景下。对两种FPGA的研究都发现，发动的DoS攻击可以使FPGA完全瘫痪直至手动复位电源。对于有片上SoC的FPGA来说，在其应用场景下可能并没有电源复位的选项，唯一复位电源的的办法只能是将电池取出再放回。

  电路设计

针对FPGA的DoS攻击的基本原理大致如下：通过编辑片上逻辑，使FPGA负载能在瞬间改变。由于电源瞬态响应缓慢，以及电源分配网络（Power Delivery Network，PDN）的设计缺陷，导致FPGA电压过低，进入欠压保护而被锁定，进而达到瘫痪设备的目的。

为了达到瞬间改变FPGA负载的效果，作者将一个逻辑单元的输出经过一个非门连回到输出端。如下图所示，这样的电路构成了一个正反馈的环形振荡器（Ring Oscillator）。环形振荡器里的CMOS开关管会以极快的速度翻转，消耗大量电流。大量逻辑单元都被设置成这样的环形振荡器，并且通过一个使能信号控制所有振荡器，就能瞬间改变FPGA的电流负载。通过控制使能信号的开关频率fRO-t，可以模拟不同的负载变化来观察其对FPGA的影响。

  实验结果与讨论

作者测试了三块FPGA开发板，分别是：有40纳米的Xilinx Virterx 6 FPGA的ML605开发板，28纳米的Kintex 7 FPGA的KC705开发板，以及28纳米的Zynq 7020 SoC-FPGA（双ARM Cortex A9 + 片上FPGA）的Zedboard开发板。

测试中，三种开发板都在一定条件下发生了欠压保护导致的系统崩溃。ML605和KC705在欠压保护后均无法自动恢复。Zedboard则会随机出现三种不同的系统故障：一是和前两块开发板一样出现无法自动复位的欠压保护；一种是芯片自动重置，片上所有的设置，包括两个ARM核的状态也被重置；第三种状况类似重置，但是作者在试图重新配置芯片时发生软件故障，之后系统便进入第一种无法自动恢复的欠压保护模式。可见，不论出现何种故障，都需要手动重置电源才能恢复系统。

以ML605开发板作为实例，作者在片上布设了18720个环形振荡器，大约只占用了12%的片上资源。使能信号的频率fRO-t从20kHz到2MHz。实验发现，在高于1MHz时，片上电压压降不足以引起欠压保护；在80kHz到1MHz的范围内，系统崩溃会随机的发生；而在频率小于80kHz时，系统崩溃几乎必然发生。

作者同时将两块开发板通过PCIe接口接入工作站，发现系统崩溃同样发生了。崩溃后ML605可以通过板上的电源开关进行复位，而KC705甚至必须要将整个工作站重启才能恢复。下表总结了三块板在不同状态下的能耗：

以上实例展示了通过欠压保护机制对FPGA发动DoS攻击的方法。如此发动的DoS攻击快速，且可以导致整块FPGA不可逆的瘫痪，直至手动重置电源。

允许用户自己设置FPGA实现运算加速的系统中，无疑暴露了巨大的安全隐患。这导致整台服务器需要重新启动。如果系统是通过不可替换的电池供电的话，FPGA将陷入永久的DoS状态。

  结论

FPGA在云计算和IoT中都有大量的应用，在这些新的应用中，传统的比特流加密（bitstream encryption）等安全措施已经不足以应对新的挑战。在这项研究中，作者揭示了一个新的安全漏洞，通过一类方法可以对FPGA发动DoS攻击，并在两代FPGA上进行了实测。结果发现，仅仅利用12%的片上资源，就可以使FPGA由于欠压保护而完全瘫痪。

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