Ataque electromagnético

Electromagnetic waves are a type of wave that originate from charged particles, are characterized by varying wavelength and are categorized along the electromagnetic spectrum. Any device that uses electricity will emit electromagnetic radiation due to the magnetic field created by charged particles moving along a medium. For example, radio waves are emitted by electricity moving along a radio transmitter, or even from a satellite.

In the case of electromagnetic side-channel attacks, attackers are often looking at electromagnetic radiation emitted by computing devices, which are made up of circuits. Electronic circuits consist of semiconducting materials upon which billions of transistors are placed. When a computer performs computations, such as encryption, electricity running through the transistors create a magnetic field and electromagnetic waves are emitted.^[2][3][4]

Electromagnetic waves can be captured using an induction coil and an analog to digital converter can then sample the waves at a given clock rate and convert the trace to a digital signal to be further processed by computer.

The electronic device performing the computations is synced with a clock that is running at frequencies on the order of mega-hertz (MHz) to giga-hertz (GHz). However, due to hardware pipelining, and complexity of some instructions, some operations take multiple clock cycles to complete.^[5] Therefore, it is not always necessary to sample the signal at such a high clock rate. It is often possible to get information on all or most of the operations while sampling on the order of kilo-hertz (kHz). Different devices leak information at different frequencies. For example, Intel's Atom processor will leak keys during RSA and AES encryption at frequencies between 50 MHz and 85 MHz.^[6] Android version 4.4's Bouncy Castle library implementation of ECDSA is vulnerable to key extraction side channel attacks around the 50 kHz range.^[7]

Cada operación realizada por un ordenador emite radiación electromagnética, y las distintas operaciones emiten radiación a diferentes frecuencias. En los ataques de canal lateral electromagnético, el atacante solo está interesado en unas pocas frecuencias en las que se produce el cifrado. El procesamiento de señales se encarga de aislar estas frecuencias de la gran cantidad de radiación y ruido externos. Para aislar ciertas frecuencias, se debe aplicar un filtro de paso de banda , que bloquea las frecuencias fuera de un rango determinado, a la señal electromagnética. A veces, el atacante desconoce a qué frecuencias se realiza el cifrado. En este caso, la señal se puede representar como un espectrograma , que puede ayudar a determinar qué frecuencias son más frecuentes en diferentes puntos de ejecución. Dependiendo del dispositivo atacado y del nivel de ruido, puede ser necesario aplicar varios filtros.

En los ataques de análisis electromagnético simple (SEMA), el atacante deduce la clave directamente observando el rastro. Es muy efectivo contra implementaciones de criptografía asimétrica. ^{[ 8 ]} Por lo general, solo se necesitan unos pocos rastros, aunque el atacante necesita tener un profundo conocimiento del dispositivo criptográfico y de la implementación del algoritmo criptográfico . Una implementación vulnerable a los ataques SEMA realizará una operación diferente dependiendo de si el bit de la clave es 0 o 1, lo que utilizará diferentes cantidades de energía y/o diferentes componentes del chip. Este método es frecuente en muchos tipos diferentes de ataques de canal lateral, en particular, ataques de análisis de potencia. Por lo tanto, el atacante puede observar todo el cálculo del cifrado y deducir la clave.

Por ejemplo, un ataque común contra RSA asimétrico se basa en el hecho de que los pasos de cifrado dependen del valor de los bits de la clave. Cada bit se procesa con una operación de elevación al cuadrado y luego con una multiplicación solo si el bit es igual a 1. Un atacante con un rastro claro puede deducir la clave simplemente observando dónde se realizan las multiplicaciones.

En algunos casos, el análisis electromagnético simple no es posible o no proporciona suficiente información. Los ataques de análisis electromagnético diferencial (DEMA) son más complejos, pero son efectivos contra la implementación de criptografía simétrica, contra la cual los ataques SEMA no lo son. ^{[ 6 ]} Además, a diferencia de SEMA, los ataques DEMA no requieren mucho conocimiento sobre el dispositivo atacado.

Los esquemas de cifrado teóricos ampliamente utilizados son matemáticamente seguros , pero este tipo de seguridad no considera sus implementaciones físicas y, por lo tanto, no necesariamente protegen contra ataques de canal lateral. En consecuencia, la vulnerabilidad reside en el código mismo, y es la implementación específica la que se demuestra insegura. Afortunadamente, muchas de las vulnerabilidades detectadas ya han sido corregidas . Las implementaciones vulnerables incluyen, entre otras, las siguientes:

• Libgcrypt – biblioteca criptográfica de GnuPG , implementación del algoritmo de cifrado de clave pública ECDH ^{[ 18 ]} (desde entonces parcheado)
• Implementación de RSA de 4096 bits en GnuPG ^{[ 17 ] [ 19 ]} (desde entonces parcheada)
• Implementación de GnuPG de ElGamal de 3072 bits ^{[ 17 ] [ 19 ]} (desde entonces parcheada)
• Implementación GMP de RSA de 1024 bits ^{[ 6 ]}
• Implementación de RSA de 1024 bits en OpenSSL ^{[ 6 ]}

Los sistemas de punto de venta que aceptan pagos con teléfonos móviles o tarjetas inteligentes son vulnerables. Se pueden ocultar bobinas de inducción en estos sistemas para registrar transacciones financieras con tarjetas inteligentes o pagos con teléfonos móviles. Con las claves extraídas, un atacante malintencionado podría falsificar su propia tarjeta o realizar cargos fraudulentos con la clave privada. Belgarric et al. proponen un escenario en el que se realizan pagos móviles con transacciones de bitcoin . Dado que la implementación de Android del cliente de bitcoin utiliza ECDSA, la clave de firma puede extraerse en el punto de venta. ^{[ 7 ]} Este tipo de ataques son solo ligeramente más complejos que los dispositivos de clonación de banda magnética que se utilizan actualmente en las tarjetas tradicionales.

Muchos lugares públicos, como las tiendas Starbucks , ya ofrecen puntos de carga inalámbrica gratuitos . ^{[ 24 ]} Se ha demostrado previamente que las mismas bobinas utilizadas en la carga inalámbrica pueden utilizarse para detectar radiación no deseada. Por lo tanto, estos puntos de carga representan un peligro potencial. Los puntos de carga maliciosos podrían intentar extraer claves además de cargar el teléfono del usuario. Si se combina con las capacidades de análisis de paquetes de las redes Wi-Fi públicas, las claves extraídas podrían utilizarse para realizar ataques de intermediario (man-in-the-middle) contra los usuarios. Si se descubren ataques de campo lejano, un atacante solo necesita apuntar su antena hacia la víctima para realizarlos; la víctima no necesita estar cargando activamente su teléfono en uno de estos puntos de carga públicos.

Una de las formas más efectivas de prevenir ataques electromagnéticos es dificultar que un atacante capture una señal electromagnética a nivel físico. En términos generales, el diseñador de hardware podría diseñar el hardware de cifrado para reducir la intensidad de la señal ^{[ 25 ]} o para proteger el chip. El blindaje de circuitos y cables, como una jaula de Faraday , es eficaz para reducir la señal, así como para filtrarla o introducir ruido externo que la enmascare. Además, la mayoría de los ataques electromagnéticos requieren que el equipo atacante esté muy cerca del objetivo, por lo que la distancia es una contramedida eficaz. Los diseñadores de circuitos también pueden usar ciertos adhesivos o diseñar componentes para dificultar o imposibilitar la extracción del chip sin destruirlo.

Recientemente, se utilizó el modelado de caja blanca para desarrollar una contramedida genérica de bajo costo a nivel de circuito ^{[ 26 ]} contra ataques de canal lateral electromagnéticos y de potencia. Para minimizar los efectos de las capas metálicas de nivel superior en un CI que actúan como antenas más eficientes, ^{[ 27 ]} la idea es integrar en el núcleo criptográfico un circuito de supresión de firma, ^{[ 28 ] [ 29 ]} enrutado localmente dentro de las capas metálicas de nivel inferior, lo que conduce a la inmunidad contra ataques de canal lateral tanto de potencia como electromagnéticos.

Dado que muchos ataques electromagnéticos, especialmente los ataques SEMA, se basan en implementaciones asimétricas de algoritmos criptográficos, una contramedida eficaz consiste en asegurar que una operación determinada realizada en un paso específico del algoritmo no proporcione información sobre el valor de ese bit. La aleatorización del orden de cifrado de bits, las interrupciones de proceso y la aleatorización del ciclo de reloj son métodos eficaces para dificultar los ataques. ^{[ 1 ]}