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Ataque de canal lateral

Un intento de decodificar los bits de la clave RSA mediante análisis de potencia . El pulso izquierdo representa las variaciones de potencia de la CPU durante el paso del algori...

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

En seguridad informática , un ataque de canal lateral es un tipo de vulnerabilidad que utiliza información filtrada inadvertidamente por un sistema —como datos de temporización, consumo de energía o emisiones electromagnéticas o acústicas— para obtener acceso no autorizado a información confidencial. Estos ataques se diferencian de aquellos que buscan fallos en el diseño de protocolos o algoritmos criptográficos (si bien el criptoanálisis puede identificar vulnerabilidades relevantes para ambos tipos de ataques).

Algunos ataques de canal lateral requieren conocimientos técnicos sobre el funcionamiento interno del sistema, mientras que otros, como el análisis diferencial de potencia, son efectivos como ataques de caja negra . El auge de las aplicaciones Web 2.0 y el software como servicio también ha incrementado 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, mediante HTTPS o cifrado Wi-Fi ), según investigadores de Microsoft Research y la Universidad de Indiana . [ 1 ]

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

Las clases generales de ataques de canal lateral incluyen:

  • Ataque de caché : ataques basados ​​en la capacidad del atacante para monitorizar los accesos a la caché realizados por la víctima en un sistema físico compartido, como en un entorno virtualizado o un servicio en la nube. 
  • Ataque de temporización : ataques basados ​​en la medición del tiempo que tardan en realizarse diversos cálculos (como, por ejemplo, comparar la contraseña proporcionada por el atacante con la contraseña desconocida de la víctima). 
  • Ataque de monitorización de energía : ataques que se aprovechan de las variaciones en el consumo de energía del hardware durante el procesamiento. 
  • Ataque electromagnético : ataques basados ​​en la radiación electromagnética filtrada, que pueden proporcionar directamente textos planos y otra información. Estas mediciones pueden utilizarse para inferir claves criptográficas mediante técnicas equivalentes a las del análisis de potencia, o bien en ataques no criptográficos, como el ataque TEMPEST (también conocido como Van Eck phreaking o monitorización de radiación). 
  • Criptoanálisis acústico : ataques que explotan el sonido producido durante un cálculo (similar al análisis de potencia). 
  • Análisis diferencial de fallos : en el que se descubren secretos introduciendo fallos en un cálculo. 
  • Remanencia de datos : en la que se leen datos confidenciales después de haber sido supuestamente eliminados. (p. ej. , ataque de arranque en frío ) 
  • Ataques de fallos iniciados por software : actualmente una clase poco común de canales laterales, el ataque de "row hammer" es un ejemplo en el que la memoria restringida puede modificarse accediendo a la memoria adyacente con demasiada frecuencia (lo que provoca una pérdida de retención de estado). 
  • Lista blanca : ataques basados ​​en el hecho de que los dispositivos incluidos en la lista blanca se comportan de manera diferente al comunicarse con dispositivos incluidos en ella (enviando respuestas) y con dispositivos que no están en la lista blanca (sin responderles). Un canal lateral basado en la lista blanca puede utilizarse para rastrear direcciones MAC de Bluetooth. 
  • Óptico : en el que se pueden leer secretos y datos confidenciales mediante grabación visual utilizando una cámara de alta resolución u otros dispositivos que tengan dichas capacidades (véanse los ejemplos a continuación). 

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

Ejemplos

AEl ataque de canal lateral de caché funciona monitorizando operaciones críticas de seguridad comola entrada en la tabla Tde AES [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] , la exponenciación modular, la multiplicación o los accesos a memoria [ 5 ] . El atacante puede recuperar la clave secreta en función de los accesos realizados (o no realizados) por la víctima, deduciendo así la clave de cifrado. Además, a diferencia de otros ataques de canal lateral, este método no provoca fallos 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 utilizar un canal lateral basado en la caché para permitir que un atacante filtre el contenido de la memoria de otros procesos y del propio sistema operativo.

Los ataques de temporización monitorean el movimiento de datos hacia y desde la CPU o la memoria del hardware que ejecuta el criptosistema o algoritmo. Simplemente observando las variaciones en el tiempo que tardan en realizarse las operaciones criptográficas, podría ser posible determinar la clave secreta completa. [ 6 ] Dichos ataques implican el análisis estadístico de las mediciones de temporización e incluso se han demostrado en redes. [ 7 ]

Un ataque de análisis de potencia 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 generalmente en análisis de potencia simple (SPA) y análisis de potencia diferencial (DPA). Un ejemplo es Collide+Power, que afecta a casi todas las CPU. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Otros ejemplos utilizan enfoques de aprendizaje automático . [ 11 ]

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

Se ha demostrado un ataque de canal lateral basado en aprendizaje profundo , [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] que utiliza la información de potencia y EM en múltiples dispositivos, con el potencial de romper la clave secreta de un dispositivo diferente pero idéntico en tan solo un rastro.

Se conocen paralelismos históricos con los ataques modernos de canal lateral. Un documento de la NSA recientemente desclasificado revela que ya en 1943, un ingeniero de Bell Telephone observó picos descifrables en un osciloscopio asociados con la salida descifrada de un teletipo de cifrado determinado. [ 15 ] Según el ex oficial del MI5 Peter Wright , el Servicio de Seguridad Británico analizó las emisiones de equipos de cifrado franceses en la década de 1960. [ 16 ] En la década de 1980, se sospechaba que espías soviéticos habían colocado micrófonos dentro de las máquinas de escribir IBM Selectric para monitorear el ruido eléctrico generado cuando la bola de escritura giraba y se inclinaba para golpear el papel; las características de esas señales podían determinar qué tecla se presionaba. [ 17 ]

El consumo de energía de los dispositivos provoca calentamiento, que se compensa con el enfriamiento. Los cambios de temperatura generan tensión mecánica inducida térmicamente. Esta tensión puede producir emisiones acústicas de baja frecuencia en las CPU en funcionamiento (aproximadamente 10  kHz en algunos casos). Investigaciones recientes de Shamir et al. sugieren que también se puede obtener información sobre el funcionamiento de criptosistemas y algoritmos de esta manera. Esto constituye un ataque de criptoanálisis acústico .

Si se puede observar la superficie del chip de la CPU, o en algunos casos el encapsulado de la CPU, las imágenes infrarrojas también pueden proporcionar información sobre el código que se ejecuta en la CPU, lo que se conoce como un ataque de imágenes térmicas . [ 18 ]

Algunos ejemplos de ataques de canal lateral óptico incluyen la obtención de información del indicador de actividad del disco duro [ 19 ] y la lectura de un pequeño número de fotones emitidos por transistores cuando cambian de estado. [ 20 ]

También existen canales laterales basados ​​en la asignación , que se refieren a la información que se filtra desde la asignación (en contraposición al uso) de un recurso como el ancho de banda de la red a los clientes que solicitan simultáneamente el recurso en disputa. [ 21 ]

Contramedidas

Existen dos categorías principales de medidas para contrarrestar los ataques de canal lateral:

  1. Eliminar o reducir las emisiones: Esto implica minimizar la liberación involuntaria de señales, como la radiación electromagnética o las variaciones de tiempo, que los atacantes podrían aprovechar.
  2. Transformación de los datos secretos: Este enfoque, que normalmente se logra mediante la aleatorización, garantiza lo siguiente:
    • La operación criptográfica no filtra información que pueda correlacionarse con los datos secretos.
    • Una transformación posterior restablece el resultado deseado tras la operación criptográfica.

En la primera categoría, ya están disponibles comercialmente pantallas con blindaje especial para reducir las emisiones electromagnéticas, disminuyendo así la susceptibilidad a los ataques TEMPEST . El acondicionamiento y filtrado de la línea eléctrica puede ayudar a disuadir los ataques de monitorización de energía, aunque estas medidas deben usarse con precaución, ya que incluso correlaciones muy pequeñas pueden persistir y comprometer la seguridad. Las carcasas físicas pueden reducir el riesgo de instalación subrepticia de micrófonos (para contrarrestar ataques acústicos) y otros dispositivos de micromonitorización (contra ataques de consumo de energía de la CPU o de imágenes térmicas).

Otra contramedida (que también pertenece a la primera categoría) consiste en interferir el canal de emisión con ruido. Por ejemplo, se puede añadir un retardo aleatorio para disuadir los ataques de temporización, aunque los adversarios pueden compensar estos retardos promediando varias mediciones (o, en general, utilizando más mediciones en el análisis). Cuando aumenta la cantidad de ruido en el canal lateral, el adversario necesita recopilar más mediciones.

Otra contramedida dentro de la primera categoría consiste en utilizar software de análisis de seguridad para identificar ciertas clases de ataques de canal lateral que pueden detectarse durante las etapas de diseño del hardware subyacente. Los ataques de temporización y los ataques de caché son identificables mediante ciertas plataformas de software de análisis de seguridad disponibles comercialmente, que permiten realizar pruebas para identificar la vulnerabilidad del ataque, así como la eficacia del cambio arquitectónico para sortearla. El método más completo para emplear esta contramedida es crear un ciclo de vida de desarrollo seguro para el hardware, que incluya la utilización de todas las plataformas de análisis de seguridad disponibles en sus respectivas etapas del ciclo de vida del desarrollo del hardware. [ 22 ]

En el caso de ataques de temporización contra objetivos cuyos tiempos de computación se cuantifican en ciclos de reloj discretos, una contramedida eficaz consiste en diseñar el software para que sea isócrono, es decir, que se ejecute en un tiempo exactamente constante, independientemente de los valores secretos. Esto imposibilita los ataques de temporización. [ 23 ] Tales 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 ataques de potencia simples, pero no contra ataques de análisis de potencia diferencial, consiste en diseñar el software de forma que sea "seguro para PC" en el "modelo de seguridad del contador de programa". En un programa seguro para PC, la ruta de ejecución no depende de valores secretos. En otras palabras, todas las bifurcaciones condicionales dependen únicamente de información pública. (Esta es una condición más restrictiva que el código isócrono, pero menos restrictiva que el código sin bifurcaciones). Aunque las operaciones de multiplicación consumen más potencia que las operaciones NOP en prácticamente todas las CPU, el uso de una ruta de ejecución constante evita que dichas diferencias de potencia dependientes de la operación (diferencias de potencia al elegir una bifurcación sobre otra) filtren información secreta. [ 23 ] 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 temporización. [ 24 ] [ 25 ]

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

Otras contramedidas parciales intentan reducir la cantidad de información filtrada por diferencias de potencia dependientes de los datos. Algunas operaciones utilizan potencia correlacionada con el número de bits 1 en un valor secreto. El uso de un código de peso constante (como el uso de puertas Fredkin o codificación de doble riel) puede reducir la filtración de información sobre el peso de Hamming del valor secreto, aunque es probable que persistan correlaciones explotables a menos que el equilibrio sea perfecto. Este "diseño equilibrado" puede aproximarse en software manipulando tanto los datos como su complemento simultáneamente. [ 23 ]

Se han construido varias "CPU seguras" como CPU asíncronas ; no tienen una referencia de temporización global. Si bien estas CPU se diseñaron para dificultar los ataques de temporización y potencia, [ 23 ] investigaciones posteriores descubrieron que las variaciones de temporización en circuitos asíncronos son más difíciles de eliminar. [ 26 ]

Recientemente, se utilizó el modelado de caja blanca para desarrollar una contramedida genérica de bajo costo a nivel de circuito [ 27 ] contra ataques de canal lateral electromagnéticos y de potencia. Para minimizar los efectos de las capas metálicas de nivel superior en un circuito integrado que actúan como antenas más eficientes, [ 28 ] la idea es integrar en el núcleo criptográfico un circuito de supresión de firma, [ 29 ] [ 30 ] 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.

Cegador

Como contramedida para el cifrado de mensajes, el enmascaramiento (también conocido como cegamiento ) es eficaz contra todos los ataques de canal lateral. El principio del enmascaramiento es evitar la manipulación de cualquier valor sensible.y{\displaystyle y}directamente, sino manipular un reparto del mismo: un conjunto de variables (llamadas "participaciones").y1,...,yd{\displaystyle y_{1},...,y_{d}}de tal manera quey=y1⊕...⊕yd{\displaystyle y=y_{1}\oplus ...\oplus y_{d}}(dónde⊕{\displaystyle \oplus }es la operación XOR ). Un atacante debe recuperar todos los valores de las acciones para obtener información significativa. [ 31 ]

En el caso del descifrado RSA [ 6 ] [ 7 ] con exponente secretod{\displaystyle d}y el exponente de cifrado correspondientemi{\displaystyle e}y módulometro{\displaystyle m}, la técnica se aplica de la siguiente manera (para simplificar, se omite la reducción modular por m en las fórmulas): antes de descifrar, es decir, antes de calcular el resultado deyd{\displaystyle y^{d}}para un texto cifrado dadoy{\displaystyle y}El sistema elige un número aleatorio.r{\displaystyle r}y lo encripta con un exponente públicomi{\displaystyle e}para obtenerrmi{\displaystyle r^{e}}. Luego, se realiza el descifrado eny⋅rmi{\displaystyle y\cdot r^{e}}para obtener(y⋅rmi)d=yd⋅rmi⋅d=yd⋅r{\displaystyle {(y\cdot r^{e})}^{d}=y^{d}\cdot r^{e\cdot d}=y^{d}\cdot r}Dado que el sistema de descifrado eligiór{\displaystyle r}, puede calcular su inversa módulometro{\displaystyle m}para anular el factorr{\displaystyle r}en el resultado y obteneryd{\displaystyle y^{d}}, el resultado real del descifrado. Para ataques que requieren recopilar información de canal lateral de operaciones con datos controlados por el atacante , el enmascaramiento es una contramedida eficaz, ya que la operación real se ejecuta sobre una versión aleatoria de los datos, sobre la cual el atacante no tiene control ni conocimiento.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

Libros

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Artículos

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  • Nuevas técnicas de ataque de canal lateral
  • Taller COSADE Taller internacional sobre análisis constructivo de canales laterales y diseño seguro
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