Ataque de canal lateral - Side-channel attack

Un intento de decodificar los bits de la clave RSA mediante el análisis de potencia . El pico izquierdo representa las variaciones de potencia de la CPU durante el paso del algoritmo sin multiplicación, el pico derecho (más amplio) - paso con multiplicación, lo que permite a un atacante leer los bits 0, 1.

En seguridad informática , un ataque de canal lateral es cualquier ataque basado en información obtenida de la implementación de un sistema informático, en lugar de debilidades en el algoritmo implementado en sí (por ejemplo, criptoanálisis y errores de software ). La información de tiempo, el consumo de energía, las fugas electromagnéticas o incluso el sonido pueden proporcionar una fuente adicional de información que puede explotarse.

Algunos ataques de canal lateral requieren conocimientos técnicos del funcionamiento interno del sistema, aunque otros, como el análisis de potencia diferencial, son eficaces como ataques de caja negra . El auge de las aplicaciones Web 2.0 y el software como servicio también ha aumentado significativamente la posibilidad de ataques de canal lateral en la web, incluso cuando las transmisiones entre un navegador web y un servidor están cifradas (por ejemplo, a través de cifrado HTTPS o WiFi ), según a investigadores de Microsoft Research y la Universidad de Indiana . Muchos poderosos ataques de canal lateral se basan en métodos estadísticos iniciados por Paul Kocher .

Los intentos de romper un criptosistema engañando o coaccionando a personas con acceso legítimo no suelen considerarse ataques de canal lateral: consulte la ingeniería social y el criptoanálisis de manguera de goma .

General

Las clases generales de ataque de canal lateral incluyen:

  • Ataque de caché: ataques basados ​​en la capacidad del atacante para monitorear los accesos a caché realizados por la víctima en un sistema físico compartido como en un entorno virtualizado o un tipo de servicio en la nube.
  • Ataque de tiempo : ataques basados ​​en medir cuánto tiempo tardan en realizarse varios cálculos (como, por ejemplo, comparar la contraseña dada por un atacante con la desconocida de la víctima).
  • Ataque de monitoreo de energía : ataques que hacen uso de un consumo de energía variable por parte del hardware durante el cálculo.
  • Ataque electromagnético : ataques basados ​​en la radiación electromagnética filtrada, que puede proporcionar directamente textos sin formato y otra información. Estas medidas pueden usarse para inferir claves criptográficas usando técnicas equivalentes a las del análisis de energía o pueden usarse en ataques no criptográficos, por ejemplo, ataques TEMPEST (también conocido como van Eck phreaking o monitoreo de radiación).
  • Criptoanálisis acústico : ataques que explotan el sonido producido durante un cálculo (como el análisis de potencia).
  • Análisis diferencial de fallas : en el que se descubren secretos al introducir fallas en un cálculo.
  • Remanencia de datos : en el que se leen datos confidenciales después de haber sido supuestamente eliminados. (es decir , ataque de arranque en frío )
  • Ataques de fallas iniciados por software: actualmente, una clase poco común de canales laterales, Row hammer es un ejemplo en el que la memoria fuera de los límites se puede cambiar accediendo a la memoria adyacente con demasiada frecuencia (causando pérdida de retención de estado).
  • Óptico: en el que se pueden leer secretos y datos confidenciales mediante grabación visual con una cámara de alta resolución u otros dispositivos que tengan esas capacidades (consulte los ejemplos a continuación).

En todos los casos, el principio subyacente es que los efectos físicos causados ​​por el funcionamiento de un criptosistema ( en el lateral ) pueden proporcionar información adicional útil sobre secretos en el sistema, por ejemplo, la clave criptográfica , información de estado parcial, textos planos completos o parciales y así sucesivamente. El término criptophthora (degradación secreta) se utiliza a veces para expresar la degradación del material de clave secreta resultante de una fuga de canal lateral.

Ejemplos de

A El ataque de canal lateral de caché funciona supervisando las operaciones críticas de seguridad, como la entrada de la tabla T de AES o la exponenciación modular o la multiplicación o los accesos a la memoria. El atacante puede recuperar la clave secreta en función de los accesos realizados (o no) por la víctima, deduciendo la clave de cifrado. Además, a diferencia de algunos de los otros ataques de canal lateral, este método no crea una falla en la operación criptográfica en curso y es invisible para la víctima.

En 2017, se descubrieron dos vulnerabilidades de la CPU (denominadas Meltdown y Spectre ), que pueden usar un canal lateral basado en caché para permitir que un atacante filtre el contenido de la memoria de otros procesos y del propio sistema operativo.

Un ataque de tiempo observa el movimiento de datos dentro y fuera de la CPU o la memoria en el hardware que ejecuta el criptosistema o algoritmo. Simplemente observando las variaciones en el tiempo que se tarda en realizar operaciones criptográficas, podría ser posible determinar la clave secreta completa. Dichos ataques implican un análisis estadístico de las mediciones de tiempo y se han demostrado en redes.

Un ataque de análisis de energía puede proporcionar información aún más detallada al observar el consumo de energía de un dispositivo de hardware, como una CPU o un circuito criptográfico. Estos ataques se clasifican aproximadamente en análisis de potencia simple (SPA) y análisis de potencia diferencial (DPA). Se incluyen ejemplos de enfoques de aprendizaje automático.

Las fluctuaciones en la corriente también generan ondas de radio , lo que permite ataques que analizan mediciones de emanaciones electromagnéticas (EM). Estos ataques suelen implicar técnicas estadísticas similares a las de los ataques de análisis de poder.

Se ha demostrado un ataque de canal lateral basado en el aprendizaje profundo , que utiliza la energía y la información EM en varios dispositivos, con el potencial de romper la clave secreta de un dispositivo diferente pero idéntico en tan solo un rastro.

Se conocen análogos históricos de los modernos ataques de canal lateral. Un documento de la NSA recientemente desclasificado revela que ya en 1943, un ingeniero del teléfono Bell observó picos descifrables en un osciloscopio asociados con la salida descifrada de un determinado teletipo cifrado. Según el ex oficial del MI5 Peter Wright , el Servicio de Seguridad Británico analizó las emisiones de los equipos de cifrado franceses en la década de 1960. En la década de 1980, se sospechaba que los espías soviéticos habían colocado insectos dentro de las máquinas de escribir IBM Selectric para monitorear el ruido eléctrico generado cuando la bola tipográfica giraba y se lanzaba para golpear el papel; las características de esas señales podrían determinar qué tecla se presionó.

El consumo de energía de los dispositivos provoca un calentamiento, que se compensa con los efectos del enfriamiento. Los cambios de temperatura crean estrés mecánico inducido térmicamente. Este estrés puede crear emisiones acústicas de bajo nivel en las CPU en funcionamiento (alrededor de 10 kHz en algunos casos). Investigaciones recientes de Shamir et al. ha sugerido que de esta forma también se puede obtener información sobre el funcionamiento de los criptosistemas y algoritmos. Este es un ataque de criptoanálisis acústico .

Si se puede observar la superficie del chip de la CPU, o en algunos casos el paquete de la CPU, las imágenes infrarrojas también pueden proporcionar información sobre el código que se está ejecutando en la CPU, lo que se conoce como ataque de imágenes térmicas .

Los ejemplos de un ataque de canal lateral óptico incluyen la recopilación de información del indicador de actividad del disco duro para leer una pequeña cantidad de fotones emitidos por los transistores a medida que cambian de estado.

Los canales laterales basados ​​en la asignación también existen y se refieren a la información que se filtra desde la asignación (en oposición al uso) de un recurso, como el ancho de banda de la red, a los clientes que solicitan simultáneamente el recurso en disputa.

Contramedidas

Debido a que los ataques de canal lateral se basan en la relación entre la información emitida (filtrada) a través de un canal lateral y los datos secretos, las contramedidas se dividen en dos categorías principales: (1) eliminan o reducen la divulgación de dicha información y (2) eliminan la relación entre la información filtrada y los datos secretos, es decir, hacen que la información filtrada no esté relacionada, o más bien no esté correlacionada , con los datos secretos, generalmente a través de alguna forma de aleatorización del texto cifrado que transforma los datos de una manera que se puede deshacer después de la operación criptográfica (por ejemplo, descifrado) se completa.

Bajo la primera categoría, las pantallas con blindaje especial para disminuir las emisiones electromagnéticas, reduciendo la susceptibilidad a los ataques TEMPEST , ahora están disponibles comercialmente. El acondicionamiento y filtrado de la línea eléctrica puede ayudar a disuadir los ataques de monitoreo de energía, aunque tales medidas deben usarse con precaución, ya que incluso correlaciones muy pequeñas pueden permanecer y comprometer la seguridad. Los recintos físicos pueden reducir el riesgo de instalación subrepticia de micrófonos (para contrarrestar los ataques acústicos) y otros dispositivos de microvigilancia (contra el consumo de energía de la CPU o los ataques de imágenes térmicas).

Otra contramedida (todavía en la primera categoría) es bloquear el canal emitido con ruido. Por ejemplo, se puede agregar un retraso aleatorio para disuadir los ataques de tiempo, aunque los adversarios pueden compensar estos retrasos promediando múltiples mediciones (o, de manera más general, usando más mediciones en el análisis). A medida que aumenta la cantidad de ruido en el canal lateral, el adversario necesita recopilar más mediciones.

Otra contramedida de la primera categoría es utilizar software de análisis de seguridad para identificar ciertas clases de ataques de canal lateral que se pueden encontrar durante las etapas de diseño del hardware subyacente. Los ataques de tiempo y los ataques de caché son identificables a través de ciertas plataformas de software de análisis de seguridad disponibles comercialmente, que permiten realizar pruebas para identificar la vulnerabilidad del ataque en sí, así como la efectividad del cambio de arquitectura para eludir la vulnerabilidad. El método más completo para emplear esta contramedida es crear un ciclo de vida de desarrollo seguro para el hardware, que incluye la utilización de todas las plataformas de análisis de seguridad disponibles en sus respectivas etapas del ciclo de vida de desarrollo de hardware.

En el caso de los ataques de tiempo contra objetivos cuyos tiempos de cálculo se cuantifican en recuentos de ciclos de reloj discretos, una contramedida eficaz es diseñar el software para que sea isócrono, es decir, para que se ejecute en una cantidad de tiempo exactamente constante, independientemente de los valores secretos. Esto hace que los ataques de sincronización sean imposibles. Estas contramedidas pueden ser difíciles de implementar en la práctica, ya que incluso las instrucciones individuales pueden tener tiempos variables en algunas CPU.

Una contramedida parcial contra los ataques de energía simples, pero no los ataques de análisis de energía diferencial, es diseñar el software para que sea "seguro para PC" en el "modelo de seguridad de contador de programa". En un programa seguro para PC, la ruta de ejecución no depende de valores secretos. En otras palabras, todas las ramas condicionales dependen únicamente de la información pública. (Esta es una condición más restrictiva que el código isócrono, pero una condición menos restrictiva que el código sin ramificaciones). Aunque las operaciones de multiplicación consumen más energía que NOP en prácticamente todas las CPU, el uso de una ruta de ejecución constante evita tales diferencias de energía dependientes de la operación ( diferencias en el poder de elegir una rama sobre otra) de filtrar cualquier información secreta. En arquitecturas donde el tiempo de ejecución de la instrucción no depende de los datos, un programa seguro para PC también es inmune a los ataques de tiempo.

Otra forma en la que el código puede ser no isócrono es que las CPU modernas tienen una memoria caché: acceder a la información que se usa con poca frecuencia incurre en una gran penalización de tiempo, revelando cierta información sobre la frecuencia de uso de los bloques de memoria. El código criptográfico diseñado para resistir los ataques de caché intenta usar la memoria solo de una manera predecible (como acceder solo a la entrada, las salidas y los datos del programa, y ​​hacerlo de acuerdo con un patrón fijo). Por ejemplo, se deben evitar las búsquedas de tablas dependientes de datos porque la caché podría revelar a qué parte de la tabla de búsqueda se accedió.

Otras contramedidas parciales intentan reducir la cantidad de información filtrada por las diferencias de poder dependientes de los datos. Algunas operaciones usan potencia que está correlacionada con el número de 1 bits en un valor secreto. El uso de un código de peso constante (como el uso de puertas Fredkin o codificación de doble carril) puede reducir la filtración de información sobre el peso Hamming del valor secreto, aunque es probable que se mantengan las correlaciones explotables a menos que el equilibrio sea perfecto. Este "diseño equilibrado" se puede aproximar en el software manipulando los datos y su complemento juntos.

Se han construido varias "CPU seguras" como CPU asíncronas ; no tienen una referencia de tiempo global. Si bien estas CPU estaban destinadas a dificultar los ataques de potencia y sincronización, la investigación posterior descubrió que las variaciones de sincronización en los circuitos asíncronos son más difíciles de eliminar.

Un ejemplo típico de la segunda categoría (descorrelación) es una técnica conocida como cegamiento . En el caso del descifrado RSA con exponente secreto y exponente y módulo de cifrado correspondientes , la técnica se aplica de la siguiente manera (para simplificar, la reducción modular por m se omite en las fórmulas): antes de descifrar, es decir, antes de calcular el resultado de para un dado el texto cifrado , el sistema elige un número aleatorio y lo encripta con un exponente público para obtenerlo . Luego, se realiza el descifrado para obtener . Como eligió el sistema de descifrado , puede calcular su módulo inverso para cancelar el factor en el resultado y obtener el resultado real del descifrado. Para los ataques que requieren recopilar información de canal lateral de operaciones con datos controlados por el atacante , el cegamiento es una contramedida eficaz, ya que la operación real se ejecuta en una versión aleatoria de los datos, sobre la cual el atacante no tiene control ni conocimiento.

Una contramedida más general (en el sentido de que es eficaz contra todos los ataques de canal lateral) es la contramedida de enmascaramiento. El principio de enmascaramiento es evitar manipular cualquier valor sensible directamente, sino manipular un intercambio del mismo: un conjunto de variables (llamadas "acciones") tales que (dónde está la operación XOR ). Un atacante debe recuperar todos los valores de las acciones para obtener información significativa.

Recientemente, se utilizó el modelado de caja blanca para desarrollar una contramedida genérica a nivel de circuito de baja sobrecarga tanto contra ataques EM como de canal lateral de potencia. Para minimizar los efectos de las capas de metal de nivel superior en un IC que actúa como antenas más eficientes, la idea es incrustar el núcleo criptográfico con un circuito de supresión de firmas, enrutado localmente dentro de las capas de metal de nivel inferior, que conduzcan tanto a potencia como a EM. inmunidad al ataque de canal lateral.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

Libros

Artículos

enlaces externos