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Ataque de bota fría

En seguridad informática , un ataque de arranque en frío (o, en menor medida, un ataque de reinicio de plataforma ) es un tipo de ataque de canal lateral en el que un atacante c...

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En seguridad informática , un ataque de arranque en frío (o, en menor medida, un ataque de reinicio de plataforma ) es un tipo de ataque de canal lateral en el que un atacante con acceso físico a un ordenador realiza un volcado de memoria de la memoria de acceso aleatorio (RAM) del ordenador mediante un reinicio forzado de la máquina objetivo. Normalmente, los ataques de arranque en frío se utilizan para recuperar claves de cifrado de un sistema operativo en ejecución con fines maliciosos o de investigación criminal. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El ataque se basa en la propiedad de remanencia de datos de la DRAM y la SRAM para recuperar el contenido de la memoria que permanece legible durante los segundos o minutos posteriores a un apagado. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]

Un atacante con acceso físico a un ordenador en funcionamiento suele ejecutar un ataque de arranque en frío, arrancando la máquina y ejecutando un sistema operativo ligero desde un disco extraíble para volcar el contenido de la memoria física previa al arranque en un archivo. [ 6 ] [ 2 ] El atacante puede entonces analizar los datos volcados de la memoria para encontrar datos sensibles, como las claves , utilizando diversas formas de ataques de búsqueda de claves . [ 7 ] [ 8 ] Dado que los ataques de arranque en frío se dirigen a la memoria de acceso aleatorio , los esquemas de cifrado de disco completo , incluso con un módulo de plataforma segura instalado, son ineficaces contra este tipo de ataque. [ 2 ] Esto se debe a que el problema es fundamentalmente de hardware (memoria insegura) y no de software . Sin embargo, el acceso malicioso puede prevenirse limitando el acceso físico y utilizando técnicas modernas para evitar almacenar datos sensibles en la memoria de acceso aleatorio .

Detalles técnicos

Se puede improvisar con nitrógeno líquido, aerosoles congelantes (como se muestra) o latas de aire comprimido para enfriar los módulos de memoria y, de este modo, ralentizar la degradación de la memoria volátil.

Los módulos de memoria DIMM pierden datos gradualmente con el tiempo al perder energía, pero no pierden todos los datos inmediatamente cuando se interrumpe la alimentación. [ 2 ] Con ciertos módulos de memoria, la ventana de tiempo para un ataque puede extenderse a horas o incluso una semana enfriándolos con aerosol refrigerante y nitrógeno líquido. Además, a medida que los bits desaparecen en la memoria con el tiempo, pueden reconstruirse, ya que se desvanecen de manera predecible. [ 2 ] En consecuencia, un atacante puede realizar un volcado de memoria de su contenido ejecutando un ataque de arranque en frío. La capacidad de ejecutar con éxito el ataque de arranque en frío varía considerablemente entre diferentes sistemas, tipos de memoria, fabricantes de memoria y propiedades de la placa base, y puede ser más difícil de llevar a cabo que los métodos basados ​​en software o un ataque DMA . [ 9 ] Si bien el enfoque de la investigación actual está en el cifrado de disco, cualquier dato sensible almacenado en la memoria es vulnerable al ataque. [ 2 ]

Los atacantes ejecutan ataques de arranque en frío reiniciando de forma forzosa y abrupta una máquina objetivo y luego arrancando un sistema operativo preinstalado desde una unidad flash USB , CD-ROM o a través de la red . [ 3 ] En los casos en que no es práctico restablecer de forma forzada la máquina objetivo, un atacante puede alternativamente extraer físicamente los módulos de memoria del sistema original y colocarlos rápidamente en una máquina compatible bajo el control del atacante, que luego arranca para acceder a la memoria. [ 2 ] Posteriormente se puede realizar un análisis adicional sobre los datos volcados de la RAM .

Un tipo de ataque similar también puede utilizarse para extraer datos de la memoria, como un ataque DMA que permite acceder a la memoria física a través de un puerto de expansión de alta velocidad como FireWire . [ 3 ] En ciertos casos, puede preferirse un ataque de arranque en frío, como cuando existe un alto riesgo de daños en el hardware. El uso del puerto de expansión de alta velocidad puede provocar cortocircuitos o daños físicos en el hardware en algunos casos. [ 3 ]

Usos

Los ataques de arranque en frío se utilizan normalmente para investigaciones forenses digitales , con fines maliciosos como el robo y la recuperación de datos . [ 3 ]

Informática forense

En ciertos casos, un ataque de arranque en frío se utiliza en la disciplina de la informática forense para preservar forensemente los datos contenidos en la memoria como evidencia criminal. [ 3 ] Por ejemplo, cuando no es práctico preservar los datos en la memoria por otros medios, se puede utilizar un ataque de arranque en frío para realizar un volcado de los datos contenidos en la memoria de acceso aleatorio . Por ejemplo, un ataque de arranque en frío se utiliza en situaciones donde un sistema está protegido y no es posible acceder a la computadora. [ 3 ] Un ataque de arranque en frío también puede ser necesario cuando un disco duro está cifrado con cifrado de disco completo y el disco potencialmente contiene evidencia de actividad criminal. Un ataque de arranque en frío proporciona acceso a la memoria, lo que puede brindar información sobre el estado del sistema en ese momento, como qué programas se están ejecutando. [ 3 ]

Intención maliciosa

Los atacantes pueden utilizar un ataque de arranque en frío para obtener acceso a información encriptada, como información financiera o secretos comerciales, con fines maliciosos. [ 10 ]

Cómo eludir el cifrado de disco completo

Un objetivo común de los ataques de arranque en frío es eludir el cifrado de disco basado en software. Se ha demostrado que los ataques de arranque en frío, cuando se utilizan junto con ataques de búsqueda de claves, son un medio eficaz para eludir los esquemas de cifrado de disco completo de varios proveedores y sistemas operativos , incluso cuando se utiliza un criptoprocesador seguro Trusted Platform Module (TPM) . [ 2 ]

En el caso de aplicaciones de cifrado de disco que se pueden configurar para permitir que el sistema operativo arranque sin que se introduzca un PIN de arranque previo o sin que esté presente una llave de hardware (por ejemplo, BitLocker en una configuración simple que utiliza un TPM sin un PIN de autenticación de dos factores o una llave USB), el plazo para el ataque no es limitante en absoluto. [ 2 ]

BitLocker

BitLocker, en su configuración predeterminada, utiliza un módulo de plataforma segura que no requiere ni PIN ni clave externa para descifrar el disco. Al arrancar el sistema operativo , BitLocker recupera la clave del TPM sin interacción del usuario. Por consiguiente, un atacante puede simplemente encender el equipo, esperar a que el sistema operativo comience a arrancar y ejecutar un ataque de arranque en frío para recuperar la clave. Debido a esto, se recomienda utilizar la autenticación de dos factores , como un PIN previo al arranque o un dispositivo USB extraíble que contenga una clave de inicio junto con un TPM, para solucionar esta vulnerabilidad en la implementación predeterminada de BitLocker. [ 11 ] [ 5 ] Sin embargo, esta solución solo evita un ataque de arranque en frío si el equipo estaba apagado antes de que el atacante obtuviera acceso físico. Si el equipo ya se había iniciado y estaba en funcionamiento, no impide que un atacante recupere datos confidenciales de la memoria ni las claves de cifrado almacenadas en caché.

Mitigación

Dado que un ataque de arranque en frío puede provocar fácilmente un volcado de memoria , almacenar datos confidenciales en la RAM, como las claves de cifrado para el cifrado de disco completo, resulta inseguro. Se han propuesto diversas soluciones para almacenar las claves de cifrado en áreas distintas a la memoria de acceso aleatorio . Si bien estas soluciones pueden reducir la probabilidad de vulnerar el cifrado de disco completo, no ofrecen protección para otros datos confidenciales almacenados en la memoria.

Almacenamiento de claves basado en registros

Una solución para mantener las claves de cifrado fuera de la memoria es el almacenamiento de claves basado en registros. Las implementaciones de esta solución son TRESOR [ 12 ] y Loop-Amnesia [ 13 ] . Ambas implementaciones modifican el núcleo de un sistema operativo para que los registros de la CPU (en el caso de TRESOR, los registros de depuración x86 y en el caso de Loop-Amnesia, los registros de perfilado AMD64 o EMT64) se puedan usar para almacenar las claves de cifrado, en lugar de en la RAM. Las claves almacenadas a este nivel no se pueden leer fácilmente desde el espacio de usuario y se pierden cuando el equipo se reinicia por cualquier motivo. Tanto TRESOR como Loop-Amnesia deben usar la generación de claves de ronda sobre la marcha debido al espacio limitado disponible para almacenar tokens criptográficos de esta manera. Por seguridad, ambos deshabilitan las interrupciones para evitar que la información de la clave se filtre a la memoria desde los registros de la CPU mientras se realiza el cifrado o descifrado, y ambos bloquean el acceso a los registros de depuración o perfilado.

En los procesadores x86 modernos existen dos áreas potenciales para almacenar claves: los registros SSE , que en la práctica podrían convertirse en privilegiados al deshabilitar todas las instrucciones SSE (y, por consiguiente, cualquier programa que dependa de ellas), y los registros de depuración, que eran mucho más pequeños pero no presentaban tales problemas.

Se ha desarrollado una distribución de prueba de concepto llamada 'paranoix' basada en el método de registro SSE. [ 14 ] Los desarrolladores afirman que "al ejecutar TRESOR en una CPU de 64 bits que admite AES-NI , no hay penalización de rendimiento en comparación con una implementación genérica de AES ", [ 15 ] y se ejecuta ligeramente más rápido que el cifrado estándar a pesar de la necesidad de recálculo de clave. [ 12 ] La principal ventaja de Loop-Amnesia en comparación con TRESOR es que admite el uso de múltiples unidades cifradas; las principales desventajas son la falta de soporte para x86 de 32 bits y un peor rendimiento en CPU que no admiten AES-NI.

Almacenamiento de claves basado en caché

La "caché congelada" (a veces conocida como "caché como RAM"), [ 16 ] puede utilizarse para almacenar de forma segura claves de cifrado. Funciona deshabilitando la caché L1 de la CPU y utilizándola para el almacenamiento de claves; sin embargo, esto puede degradar significativamente el rendimiento general del sistema hasta el punto de resultar demasiado lento para la mayoría de los propósitos. [ 17 ]

Guan et al. (2015) [ 18 ] propusieron una solución similar basada en caché empleando el modo de caché WB (Write-Back) para mantener los datos en cachés, reduciendo los tiempos de cálculo de los algoritmos de clave pública.

Mimosa [ 19 ] en IEEE S&P 2015 presentó una solución más práctica para cálculos criptográficos de clave pública contra ataques de arranque en frío y ataques DMA. Emplea memoria transaccional de hardware (HTM), que originalmente se propuso como un mecanismo de acceso a memoria especulativo para mejorar el rendimiento de aplicaciones multihilo. La fuerte garantía de atomicidad que proporciona HTM se utiliza para evitar accesos concurrentes ilegales al espacio de memoria que contiene datos sensibles. La clave privada RSA se cifra en memoria mediante una clave AES protegida por TRESOR. A petición, se realiza un cálculo de clave privada RSA dentro de una transacción HTM: primero se descifra la clave privada en memoria y luego se realiza el descifrado o la firma RSA. Dado que una clave privada RSA en texto plano solo aparece como datos modificados en una transacción HTM, cualquier operación de lectura de estos datos abortará la transacción, que volverá a su estado inicial. Cabe destacar que la clave privada RSA se cifra inicialmente y es el resultado de operaciones de escritura (o descifrado AES). Actualmente, HTM se implementa en cachés o búferes de almacenamiento, ambos ubicados en las CPU, no en chips de RAM externos. Por lo tanto, se evitan los ataques de arranque en frío. Mimosa resiste los ataques que intentan leer datos confidenciales de la memoria (incluidos los ataques de arranque en frío, los ataques DMA y otros ataques de software) y solo introduce una pequeña sobrecarga de rendimiento.

Desmontar discos cifrados

Las mejores prácticas recomiendan desmontar cualquier disco cifrado que no sea del sistema cuando no esté en uso, ya que la mayoría del software de cifrado de disco está diseñado para borrar de forma segura las claves almacenadas en la memoria después de su uso. [ 20 ] Esto reduce el riesgo de que un atacante pueda recuperar las claves de cifrado de la memoria mediante un ataque de arranque en frío. Para minimizar el acceso a la información cifrada en el disco duro del sistema operativo, la máquina debe apagarse completamente cuando no esté en uso para reducir la probabilidad de un ataque de arranque en frío exitoso. [ 2 ] [ 21 ] Sin embargo, los datos pueden permanecer legibles desde decenas de segundos hasta varios minutos, dependiendo del dispositivo RAM físico de la máquina, lo que podría permitir que un atacante recupere algunos datos de la memoria. Configurar un sistema operativo para que se apague o hiberne cuando no esté en uso, en lugar de usar el modo de suspensión, puede ayudar a mitigar el riesgo de un ataque de arranque en frío exitoso.

Contramedidas eficaces

Impedir el acceso físico

Por lo general, un ataque de arranque en frío se puede prevenir limitando el acceso físico del atacante al ordenador o dificultando cada vez más la ejecución del ataque. Un método consiste en soldar o pegar los módulos de memoria a la placa base , de modo que no se puedan extraer fácilmente de sus zócalos e insertar en otro equipo bajo el control del atacante. [ 2 ] Sin embargo, esto no impide que el atacante arranque el equipo de la víctima y realice un volcado de memoria mediante una unidad flash USB extraíble . Una medida de mitigación como el arranque seguro UEFI o enfoques de verificación de arranque similares puede ser eficaz para evitar que el atacante arranque un entorno de software personalizado para volcar el contenido de la memoria principal soldada. [ 22 ]

Cifrado de memoria completa

El cifrado de la memoria de acceso aleatorio (RAM) reduce la posibilidad de que un atacante obtenga claves de cifrado u otro material de la memoria mediante un ataque de arranque en frío. Este enfoque puede requerir cambios en el sistema operativo, las aplicaciones o el hardware. Un ejemplo de cifrado de memoria basado en hardware se implementó en la Microsoft Xbox . [ 23 ] Existen implementaciones para hardware x86-64 más reciente de AMD y para Intel Willow Cove y posteriores.

El cifrado de memoria completa basado en software es similar al almacenamiento de claves basado en CPU, ya que el material de clave nunca se expone a la memoria, pero es más completo puesto que todo el contenido de la memoria está cifrado. En general, solo las páginas inmediatas se descifran y el sistema operativo las lee sobre la marcha. [ 24 ] Las implementaciones de soluciones de cifrado de memoria basadas en software incluyen: un producto comercial de PrivateCore . [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] y RamCrypt, un parche del kernel para el kernel de Linux que cifra los datos en la memoria y almacena la clave de cifrado en los registros de la CPU de forma similar a TRESOR . [ 12 ] [ 24 ]

Desde la versión 1.24, VeraCrypt admite el cifrado de RAM para claves y contraseñas. [ 28 ]

Más recientemente, se han publicado varios artículos que destacan la disponibilidad de procesadores comerciales x86 y ARM con seguridad mejorada. [ 29 ] [ 30 ] En ese trabajo, se utiliza un procesador ARM Cortex A8 como sustrato sobre el cual se construye una solución de cifrado de memoria completa. Los segmentos del proceso (por ejemplo, pila, código o montón) se pueden cifrar individualmente o en combinación. Este trabajo marca la primera implementación de cifrado de memoria completa en un procesador comercial de propósito general. El sistema proporciona protección tanto de confidencialidad como de integridad para el código y los datos, que se cifran en todo el espacio fuera del límite de la CPU.

Borrado seguro de la memoria

Dado que los ataques de arranque en frío se dirigen a la memoria de acceso aleatorio no cifrada , una solución es borrar los datos confidenciales de la memoria cuando ya no se utiliza. La "Especificación de mitigación de ataques de reinicio de plataforma TCG" [ 31 ] , una respuesta de la industria a este ataque específico, obliga a la BIOS a sobrescribir la memoria durante el POST si el sistema operativo no se apagó correctamente. Sin embargo, esta medida aún puede eludirse extrayendo el módulo de memoria del sistema y leyéndolo en otro sistema bajo el control del atacante que no admita estas medidas. [ 2 ]

Una función de borrado seguro eficaz consistiría en que, si se interrumpe la alimentación, la RAM se borre en menos de 300 ms antes de que se pierda la energía, en combinación con una BIOS segura y un controlador de disco duro/SSD que cifre los datos en los puertos M-2 y SATAx. Si la propia RAM no contuviera presencia serial ni otros datos, y los tiempos se almacenaran en la BIOS con algún tipo de mecanismo de seguridad que requiriera una clave de hardware para modificarlos, sería prácticamente imposible recuperar cualquier dato y, además, sería inmune a ataques TEMPEST , ataques de intermediario en la RAM y otros posibles métodos de infiltración. [ 32 ]

Algunos sistemas operativos, como Tails, ofrecen una función que escribe de forma segura datos aleatorios en la memoria del sistema cuando se apaga el sistema operativo para mitigar un ataque de arranque en frío. [ 33 ] Sin embargo, el borrado de la memoria de vídeo aún no es posible y, a fecha de 2022, sigue siendo un problema abierto en el foro de Tails. [ 34 ] Los posibles ataques que podrían explotar esta vulnerabilidad son:

  • La generación de un par de claves GnuPG y la visualización de la clave privada en un editor de texto podrían conducir a la recuperación de la clave. [ 35 ]
  • Se podía ver la clave de la criptomoneda , lo que permitía eludir la billetera (incluso si estaba cifrada) y acceder a los fondos.
  • Al introducir una contraseña con la visibilidad activada, podrían aparecer partes de ella o incluso la clave completa. Si se utiliza un archivo de clave, este podría mostrarse para reducir el tiempo necesario para un ataque de contraseña.
  • Podrían mostrarse rastros de volúmenes cifrados montados o abiertos con una negación plausible , lo que llevaría a su descubrimiento.
  • Si está conectado a un servicio .onion , la URL podría mostrarse y conducir a su descubrimiento, mientras que de otro modo sería extremadamente difícil. [ 36 ] [ 37 ]
  • El uso de un programa específico puede revelar patrones de comportamiento del usuario. Por ejemplo, si se utiliza y abre un programa de esteganografía , se podría inferir que el usuario ha estado ocultando datos. Del mismo modo, si se utiliza un programa de mensajería instantánea, podría mostrarse una lista de contactos o mensajes.

Almacenamiento externo de claves

Un ataque de arranque en frío puede prevenirse asegurándose de que el hardware atacado no almacene ninguna clave.

Contramedidas ineficaces

El cifrado de memoria puede utilizarse para minimizar los efectos parásitos indeseables de los semiconductores como característica de los procesadores Intel Core modernos . [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] Sin embargo, dado que el cifrado solo se utiliza para descorrelacionar cualquier patrón dentro del contenido de la memoria, esta puede descifrarse mediante un ataque de descifrado. [ 42 ] [ 43 ] Por lo tanto, el cifrado de memoria no es una mitigación viable contra los ataques de arranque en frío.

El modo de suspensión no ofrece protección adicional contra ataques de arranque en frío, ya que los datos suelen permanecer en la memoria durante este estado. Por lo tanto, los productos de cifrado de disco completo siguen siendo vulnerables a los ataques, puesto que las claves residen en la memoria y no es necesario volver a introducirlas una vez que el equipo se reanuda tras un estado de bajo consumo.

Aunque limitar las opciones del dispositivo de arranque en la BIOS puede dificultar ligeramente el arranque de otro sistema operativo, el firmware de los chipsets modernos suele permitir al usuario anular el dispositivo de arranque durante el POST pulsando una tecla de acceso rápido específica. [ 5 ] [ 44 ] [ 45 ] Limitar las opciones del dispositivo de arranque tampoco impedirá que el módulo de memoria se extraiga del sistema y se lea en un sistema alternativo. Además, la mayoría de los chipsets proporcionan un mecanismo de recuperación que permite restablecer la configuración de la BIOS a los valores predeterminados, incluso si está protegida con una contraseña. [ 10 ] [ 46 ] La configuración de la BIOS también se puede modificar mientras el sistema está en funcionamiento para eludir cualquier protección impuesta por ella, como el borrado de memoria o el bloqueo del dispositivo de arranque. [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]

teléfonos inteligentes

El ataque de arranque en frío puede adaptarse y llevarse a cabo de manera similar en teléfonos inteligentes Android . [ 50 ] Un arranque en frío puede realizarse desconectando la batería del teléfono para forzar un reinicio completo o manteniendo presionado el botón de encendido. [ 50 ] Luego, se flashea el teléfono inteligente con una imagen del sistema operativo que puede realizar un volcado de memoria . Por lo general, el teléfono inteligente se conecta a la máquina del atacante mediante un puerto USB .

Normalmente, los teléfonos inteligentes Android borran de forma segura las claves de cifrado de la memoria RAM cuando el teléfono está bloqueado. [ 50 ] Esto reduce el riesgo de que un atacante pueda recuperar las claves de la memoria, incluso si logra ejecutar un ataque de arranque en frío contra el teléfono.

Referencias

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