Откриване на уязвимости и оценка на устойчивостта на хакерски атаки на смарт карти и криптопроцесори с вградена защита

През последното десетилетие, освен методите за извлечение на тайни или извършване на други неразрешени действия, атакуващите започнаха да използват неволно изтичане на данни и манипулиране на процеса на изпълнение на програми чрез странични канали.

Традиционните методи на атака могат да бъдат скъпи по отношение на знания, време и изчислителна мощ. Атаките чрез странични канали, от друга страна, могат да бъдат по-лесни за реализиране и неразрушителни, тъй като разкриват или управляват физическите свойства, достъпни по време на нормалната им работа.

С помощта на статистически методи за обработка на измервания на странични канали или въвеждайки откази в затворени канали на чипа, атакуващият може да получи достъп до тайните му в рамките на няколко часа.

Годишно се произвеждат повече от 5,000 милиона смарт карти, на пазара се появяват нови вградени криптографски технологии, следователно нараства необходимостта от осигуряване на безопасността както на бизнеса, така и на личния живот.

В Нидерландия компанията Riscure създаде системата Inspector, която предоставя на изследователските лаборатории и производителите нови високоефективни средства за откриване на заплахи за осигуряване на безопасността.

Системата Inspector на Riscure поддържа различни методи за анализ на странични канали (SCA), като анализ на консумираната мощност (SPA/DPA), синхронизация, радиочестоти, както и електромагнитен анализ (EMA) и атаки на нарушения (FI), като сривове на напрежение, сривове на тактови импулси и манипулации със лазер. Вградените функции на системата поддържат многобройни криптографски алгоритми, приложни протоколи, интерфейси и измервателни инструменти.

Системата ви позволява да разширявате и реализирате нови методи и собствени приложения за откриване на уязвимости.

В системата за анализ на странични канали Inspector SCA влизат:

• трасировчик на консумираната мощност Power Tracer;
• установка за електромагнитно зондирване EM Probe Station;
• триггерен генератор icWaves;
• филтър CleanWave;
• токов зонд Current Probe.

Сред основните предимства могат да се откроят:

• Това е единен интегриран инструмент за анализ на странични канали и тестиране чрез въвеждане на сривове;
• Inspector отговаря на изискванията за провеждане на тестове по странични канали, сертифицирани от EMVco и CMVP по общи критерии;
• Това е отворена среда, която включва изходния код на модулите, позволявайки модификация на съществуващите методи и включване на нови методи за тестване, разработени от потребителя за Inspector;
• Устойчивият и интегриран софтуер и хардуер включва бързо събиране на данни от милиони трасировки;
• Шестмесечният цикъл на издаване на софтуер позволява на потребителите да бъдат в крак с последните методи за тестване на страничните канали в полеви условия.

Inspector се предлага в различни версии на една платформа:

• Inspector SCA предлага всички необходими опции за провеждане на анализ по странични канали DPA и EMA.
• Inspector FI предлага пълна функционалност за въвеждане на грешки (атаки на смущение), както и диференциален анализ на грешки (DFA).
• Inspector Core и SP (обработка на сигнали) предлага основна функционалност SCA, реализирана като отделни модули, за да осигури достъпен софтуерен пакет за събиране на данни или последваща обработка.

Inspector SCA

След получаване на резултатите от измерванията стават налични разнообразни методи за обработка на сигнали за формулиране на множество трасировки с висок сигнал и ниски шумове. Разработени са функции за обработка на сигнали, които отчитат фини разлики между обработката на сигнали от електромагнитна трасировка, трасировка на потребление на мощност и трасировка RF (РЧ). Мощните графични инструменти за представяне на трасировките в Inspector позволяват на потребителите да извършват времеви анализ или проверка на трасировките, например, за уязвимости от SPA.

Изпълнение на DPA при реализация на ECC

За много реализации на сигурност, считани в наши дни за устойчиви на SPA, основното внимание при тестването обикновено е насочено към диференциални методи за тестване (т.е. DPA/CPA). С тази цел Inspector предлага широк набор от конфигурируеми методи, свързани с голям брой криптографски алгоритми и широко използвани алгоритми като (3)DES, AES, RSA и ECC.

EM излъчване на микросхема за намиране на най-доброто разположение при реализиране на DEMA

Основни характеристики

• Това решение обединява анализа на потреблението на мощност (SPA/DPA/CPA), електромагнитни (SEMA/DEMA/EMA-RF) и безконтактни методи за тестване (RFA).
• Скоростта на събиране на данни значително се повишава благодарение на тясната интеграция на осцилоскопа с Inspector.
• За предотвратяване на джиттера на тактовите импулси и рандомизацията се използват усъвършенствани методи за синхронизация.
• Потребителят може да конфигурира модули за криптоанализ, които поддържат основни атаки и атаки с висок ред против всички основни алгоритми, като (3)DES, AES, RSA и ECC.
• Използва се разширена поддръжка за специфични за различни области алгоритми, включително SEED, MISTY1, DSA, както и Camellia.

Хардуерни средства

В допълнение към работната станция PC, Inspector използва хардуер, оптимизиран за извлечени странични канали и събиране на сигнали:

• Трасировач на потреблението на мощност (Power Tracer) за SPA / DPA / CPA на смарт карти
• Станция за ЕМ-пробиване (EM Probe station) за SEMA / DEMA / EMA RF
• Токов зонд (Current Probe) за SPA / DPA / CPA на вградени устройства
• Филтър CleanWave с Micropross MP300 TCL1/2 за RFA и РЧ EMA
• IVI-съвместим осцилоскоп

Оценяваните обекти често изискват измервания, превключвания и управление на хардуер, което е необходимо за извършване на SCA. Гъвкавият хардуерен мениджър на инструмента Inspector, отворената среда за разработка и широките интерфейсни опции осигуряват солидна основа за висококачествени измервания, използващи оборудването на потребителя.

Inspector SCA

Водещият инженер по вътрешна сигурност Joh John Connor казва за системата:
“Inspector радикално промени начина, по който оценяваме устойчивостта на нашите продукти на диференциалната атака по енергопотребление DPA. Неговата сила е в това, че интегрира процесите на събиране и анализ, което ни позволява бързо да оценим ефективността на нови проекти за криптографско хардуерно осигуряване. Освен това, неговият изключителен графичен интерфейс позволява на потребителя да визуализира подписите на потребление на енергия по събраните дискретни данни индивидуално или едновременно — което е безценно при подготовката на данни за DPA по време на атака – докато мощните му аналитични библиотеки поддържат най-често използваните търговски алгоритми за криптиране. Своевременните актуализации на софтуера и технологиите, подкрепяни от компанията Riscure, помагат да поддържаме безопасността на нашите продукти.

Inspector FI

Inspector FI – вмъкване на сбой (Fault Injection) – предлага широк набор от функции за извършване на тестове с метода на вмъкване на сбой в технологиите на смарт-карти и вградени устройства. Подкрепяните методи за тестване включват сбои в тактовите импулси, сбои в напрежението и оптични атаки с помощта на лазерна апаратура. Атаките чрез вмъкване на сбой – известни също като атаки с разстройство – променят поведението на микрочипа, предизвиквайки работещ отказ.

С помощта на Inspector FI потребителите могат да тестват дали могат да извлекат ключ, предизвиквайки откази в криптографските операции на микрочипа, да заобикалят проверки, като например аутентификация или състояние на жизнения цикъл, или да променят процеса на изпълнение на програмата на микрочипа.

Обширни конфигурируеми опции

Inspector FI включва голям брой настраиваеми параметри за софтуерно управление на превключвания и разстройства, като пикови импулси с различна продължителност, повторение на импулси и промени в нивото на напрежението. Софтуерът представя резултатите, показвайки очакваното поведение, нулирания на картата и неочакваното поведение, заедно с подробна регистрация. Модулите за атака DFA са налични за основните алгоритми за криптиране. Използвайки „мастера“, потребителите могат също да създадат персонализирана програма за разстройство с API.

Основни характеристики

• Непаралелни и лесно възпроизведими точност и синхронизация за всички хардуерни средства за вмъкване на сбой (глитчинга).
• Сценарии за проектиране на атаки, използвайки мощна система за команди и интегрирани IDE Inspector.
• Обширни конфигурационни опции на Inspector за автоматизирано тестване чрез генериране на смущения.
• Лазерна апаратура за мултиглитчинга с обратна и лицева страна на картата, произведена по поръчка за тестване чрез генериране на смущения.
• DFA модули за реализация на популярни алгоритми за криптиране, включително RSA, AES и 3DES.
• Актуализацията до многоточков лазер позволява въздействие върху микрочипа на няколко места едновременно.
• Операционно зависима синхронизация, използваща триггерен генератор icWaves, може да предотврати прилагането на контрамерки и да избегне загубата на образец.

Хардуерни средства

Inspector FI може да се използва с следните хардуерни компоненти, за да провежда атаки:

• VC Glitcher с допълнителен усилвател на смущенията.
• Станция с диоден лазер с допълнително многоточково обновление.
• PicoScope 5203 или IVI-съвместим осцилоскоп.

Inspector FI с генератор на смущения VC Glitcher, триггерен генератор icWaves, усилвател на смущения Glitch Amplifier и лазерна станция Laser Station.

Генераторът VC Glitcher формира основата на архитектурата за генериране на смущения на системата Inspector. Използвайки свръхбърза FPGA технология, може да се генерират смущения с продължителност само два наносекунди. Хардуерът разполага с удобен за потребителя програмируем интерфейс. Програмата за смущения, създадена от потребителя, се зарежда в FPGA преди тестовото изпитване. VC Glitcher включва интегрален схеми за генериране на смущения по напрежение и тактови смущения, както и изходен канал за управление на лазерната станция.

Станцията с диоден лазер се състои от специален комплект мощни диодни лазери с оптика, произведена по поръчка, която се управлява бързо и гъвкаво чрез VC Glitcher. Оборудването повишава оптичното тестване на ново ниво, осигурявайки ефективни многобройни смущения, прецизно управление на консумацията на мощност и бърза и предсказуема реакция за превключване на импулси.

Благодарение на актуализацията на станцията с диоден лазер до многоточкова версия, няколко области на микрочипа могат да бъдат подложени на тестване с използване на различни параметри за синхронизация и захранващо напрежение.

Стартиране на базата на сигнали с използване на триггерен генератор на импулси icWaves

Джиттер на тактовите импулси, случайни прекъсвания на процеса и продължителност на процеса, зависима от данните, изискват гъвкаво превключване на грешките и събиране на данни от страничния канал. Генераторът icWaves на системата Inspector генерира триггерен импулс в отговор на открития в реално време, които не отговарят на зададения модел за захранване на чипа или EM сигнал. Устройството включва специален теснополов филтър, за да осигури откритие на съответствието с модела дори при шумен сигнал.

Стандартното проследяване, използвано за съпоставяне с модела вътре в устройството на базата на FPGA, може да бъде модифицирано, използвайки функциите за обработка на сигнали на Inspector. Смарт-картата, която е открила въвеждането на грешка, може да инициира механизъм за защита, за да изтрие секретните данни или да блокира картата. Компонентът icWaves може също да бъде използван, за да инициира изключване на картата всеки път, когато консумацията на енергия или EM профилът се отклоняват от стандартната работа.

Лазерна станция Laser Station (LS) с опция за многоточков достъп,
с микроскоп и координатна маса

Интегрирана среда за разработка (IDE)

Средата за разработка Inspector е проектирана да предостави максимална гъвкавост на потребителя, който прилага SCA и FI за всякакви цели.

• Открито API: опростява реализирането на нови модули
• Изходен код: всеки модул идва с неговия изходен код, така че модулите могат да се адаптират към желанията на потребителя или да се използват като основа за създаване на нови модули

Inspector FI

Inspector комбинира инжектиране на грешки и методи за анализ на странични канали в един високопроизводителен пакет.

Пример за анализ на поведението на грешка:

Областта на атаките по страничните канали бързо се развива, а нови резултати от изследвания се публикуват всяка година, стават обществено известни или правят сертификацията на схеми и стандарти задължителна. Inspector позволява на потребителите да бъдат в течение на новите разработки и редовни актуализации на софтуера, които внедряват нови методи.

Източник: habr.com