ATSHA204A 加密芯片技术解析与破解方法

一、SHA-256 算法核心机制与加密原理

**安全散列算法 SHA（Secure Hash Algorithm）是由美国国家安全局（NSA）设计、美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的密码散列函数体系，包含 SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512 等变体。其中，ATSHA204A 加密芯片采用的 SHA-256 算法，具备三大核心特性：

1. 固定长度输出：无论输入数据长度如何，均生成 256 位（32 字节）的哈希值；

1. 单向不可逆性：从哈希值无法逆向推导出原始输入数据；

1. 抗碰撞性：在计算上难以找到两个不同输入产生相同哈希值的情况。

基于上述特性，ATSHA204A 构建了双向认证安全机制：主控芯片与加密芯片预存共享密钥，验证时主控芯片生成随机数发送至加密芯片，后者将随机数与密钥通过 SHA-256 算法生成信息摘要并回传，主控芯片对比本地计算的摘要值，一致则判定设备合法。该机制可扩展应用于关键数据存储保护，根据实际场景灵活配置安全策略。

二、主流破解方法技术解析

（一）反汇编破解法 —— 底层代码逆向分析

技术原理：通过反编译主控芯片代码，定位加密验证模块，通过修改内存数据或跳转指令绕过认证逻辑。实施步骤：

1. 利用调试工具获取主控芯片机器码，进行反汇编分析；

1. 识别加密验证相关汇编指令（如条件跳转、哈希计算函数）；

1. 针对性修改 RAM 内存状态或注入指令，强制通过合法性验证。

技术特点：

• 优势：直接作用于核心验证逻辑，理论上适用于所有基于软件实现的认证系统；

• 瓶颈：要求破解者精通单片机 / 控制器架构、汇编语言及加密芯片通信协议，且商业风险高 —— 需预先支付高额破解费用，成功与否不可预判。

（二）通信波形模拟法 —— 协议层数据模拟

技术原理：模拟加密芯片响应信号，通过控制主控芯片随机数生成规律，实现伪造认证通过。

实施要点：

1. 随机数控制：通过硬件调试或软件漏洞使主控芯片每次生成固定随机数；

1. 波形模拟：

• 低速通信（如 I²C、UART）：使用单片机实时模拟加密芯片的响应数据；

• 高速通信（如 SPI、USB）：依赖 CPLD/FPGA 构建高速协议模拟器，精确复现时序特征。

技术挑战：需深入分析通信协议细节，包括数据格式、校验机制及时序要求，对硬件开发能力要求较高。

三、安全机制与破解风险平衡

ATSHA204A 的安全设计建立在 SHA-256 算法的抗碰撞性与密钥保护机制之上，理论上可抵御暴力破解与常规逆向攻击。然而，上述两种破解方法分别从软件逆向与硬件协议层发起攻击，暴露了系统在实现层面的潜在风险 —— 前者依赖代码保护强度，后者受制于随机数生成的不可预测性。

防护建议：

1. 采用动态密钥更新机制，避免固定密钥长期使用；

1. 增强随机数发生器的熵源质量，防止 predictable random number generation (PRNG) 漏洞；

1. 结合硬件安全模块（HSM）进行密钥隔离存储，提升逆向工程难度。