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

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

Традиционните методи на атака могат да бъдат скъпи що се отнася до знания, време и изчислителна мощ. От друга страна, атаките чрез странични канали могат да бъдат по-лесно реализируеми и неразрушителни, тъй като идентифицират или манипулират физически свойства, достъпни по време на нормалната работа.

С помощта на статистически методи за обработка на измерванията от страничния канал или въвеждайки откази в затворените канали на чипа, атакуващият може да получи достъп до неговите тайни в рамките на няколко часа.

Годишно се произвеждат над 5,000 милиона смарт карти, на пазарите се появяват нови вградени криптографски технологии, което увеличава необходимостта от осигуряване на безопасността както на бизнеса, така и на личния живот.

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

Системата Inspector Riscure поддържа различни методи за анализ на странични канали (SCA), като анализ на консумираното енергийно ниво (SPA/DPA), синхронизация, радиочестоти, както и електромагнитен анализ (EMA) и атаки с въздействие (FI), като сривове на напрежение, сбоитe на тактови импулси и манипулации с лазер. Вградените функции на системата поддържат множество криптографски алгоритми, приложни протоколи, интерфейси и измерителни уреди.

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 консумираното енергийно ниво Power Tracer;
установка за електромагнитно зондирване EM Probe Station;
триггер генeратор icWaves;
филтър CleanWave;
токов зонд Current Probe.

Сред основните "плюшки" могат да се откроят следните:

Това е интегриран инструмент за анализ на странични канали и тестироване с включване на сривове;
Inspector отговаря на изискванията за провеждане на изпитвания по странични канали, сертифицирани от EMVco и CMVP по общи критерии;
Това е отворена среда, която включва изходния код на модулите, позволявайки модифициране на съществуващите методи и вкарване на нови методи за тестиране, които могат да бъдат разработени от потребителя за Inspector;
Стабилният и интегриран софтуер и хардуер включват високо скоростно събиране на данни от милиони трасировки;
Шестмесечен цикъл за пускане на софтуер позволява на потребителите да бъдат запознати с последните методи за тестиране на странични канали в полеви условия.

Inspector се издава в различни версии на единна платформа:

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

Inspector SCA

След като бъде получен резултат от измерването, стават достъпни разнообразни методи за обработка на сигнали за формиране на множество трасировки с високи нива на сигнали и ниски нива на шум. Разработени са функции за обработка на сигнали, които вземат под внимание фини разлики между обработката на сигнали от електромагнитни трасировки, трасировки на потребление на енергия и трасировки RF (РЧ). Мощните графични средства за представяне на трасировки в Inspector позволяват на потребителите да извършват времеви анализ или проверка на трасировки, например, за уязвимости SPA.

Изпълнение на DPA при реализация на ECC

За много реализации на сигурност, считани за устойчиви на SPA в наши дни, основното внимание по време на тестването обикновено е насочено към диференциални методи за тестване (т.е. DPA/CPA). С тази цел Inspector предлага широка гама от конфигурируеми методи, отнасящи се до голямо разнообразие от криптографски алгоритми и широко използвани алгоритми като (3)DES, AES, RSA и ECC.

EM излъчване на микросхема за намиране на най-добра позиция при реализиране на DEMA

Основни характеристики

Това решение обединява анализа на потребената мощност (SPA/DPA/CPA), електромагнитните (SEMA/DEMA/EMA-RF) и безконтактните методи на тестване (RFA).
Скоростта на събиране на данни значително се увеличава благодарение на тясната интеграция на осцилоскопа с Inspector.
За предотвратяване на джитър при тактовите импулси и рандомизация се прилагат усъвършенствани методи за изравняване.
Потребителят може да конфигурира модули за криптоанализ, които поддържат основни атаки и атаки с висока степен върху всички основни алгоритми, като (3)DES, AES, RSA и ECC.
Използва се разширена поддръжка на специфични за различни области алгоритми, включително SEED, MISTY1, DSA, включително Camellia.

Апаратура

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

Трасер на потребената мощност (Power Tracer) за SPA/DPA/CPA на смарт карти.
EM пробна станция (EM Probe station) за SEMA/DEMA/EMA RF.
Токов пробник (Current Probe) за SPA/DPA/CPA на вградени устройства.
Филтър CleanWave с Micropross MP300 TCL1/2 за RFA и радиочестотна EMA.
IVI-съвместим осцилоскоп.

Оценяваните обекти често изискват измервания, превключвания и управление на хардуера, което е необходимо за извършване на SCA. Гъвкавият мениджър на хардуера на инструмента Inspector, отворената среда за разработка и широките интерфейсни опции предоставят стабилна основа за висококачествени измервания с използваното оборудване.

Inspector SCA

Водещият инженер по вътрешната сигурност Джон Джон Конър казва за системата:
“Inspector коренно промени начина, по който оценяваме устойчивостта на нашите продукти срещу диференциална атака по енергийна консумация. DPA. Неговата сила се състои в това, че интегрира процесите на събиране и анализ, което ни позволява бързо да оценим ефективността на новите проекти за криптографско оборудване. Освен това, неговият отличен графичен интерфейс позволява на потребителя да визуализира подписите на енергийното потребление по събраните дискретни данни индивидуално или едновременно — което е безценно при подготовката на данните за DPA по време на атака – докато мощните аналитични библиотеки поддържат най-често използваните търговски алгоритми за криптиране. Редовните актуализации на софтуера и технологиите, поддържани от компанията Riscure, ни помагат да поддържаме сигурността на нашите продукти.

Inspector FI

Inspector FI – внесение на грешка (Fault Injection) – предлага широк спектър от функции за тестване с метода на внасяне на грешка в технологии за смарт карти и вградени устройства. Поддържаните методи на тестване включват откази на тактови импулси, откази на напрежение и оптични атаки с помощта на лазерно оборудване. Атаките чрез внасяне на грешки – известни също като атаки с нарушение – променят поведението на чипа, като предизвикват опит за отказ.

С помощта на Inspector FI потребителите могат да тестват дали може да бъде извлечен ключ чрез предизвикване на откази в криптографските операции на чипа, да заобиколят проверки, като автентикация или състояние на жизнения цикъл, или да променят изпълнението на програма на чипа.

Обширни конфигурируеми опции

Inspector FI включва голям брой настройки, конфигурируеми от потребителя, за софтуерно управление на превключвания и смущения, като пикови импулси с различна продължителност, повторения на импулси и промени в нивото на напрежение. Софтуерът представя резултатите, показвайки очакваното поведение, нулиране на картата и неочаквано поведение, заедно с подробна регистрация. Модулите за атака DFA са налични за основните алгоритми за криптиране. Използвайки „мастера“, потребителите също могат да създадат персонализирана програма за смущения с API.

Основни характеристики

Неравномерна и лесно възпроизводима точност и синхронизация за всички хардуерни средства за внасяне на грешки (глитчинг).
Сценарии за проектиране на атака, използвайки мощна система от команди и интегрирани IDE Inspector.
Обширни опции за конфигуриране на Inspector за автоматизирано тестване чрез сблъсъци.
Лазерно оборудване за мултиглитчинг с обратна и лицева страна на картата, изработено по поръчка за тестване чрез сблъсъци.
DFA модули за реализации на популярни алгоритми за шифроване, включително RSA, AES и 3DES.
Актуализацията до многоточков лазер предоставя възможност за въздействие върху чипа едновременно на няколко места.
Операционно зависима синхронизация, използваща тригерен генератор icWaves, може да предотврати прилагането на контрамерки и да избегне загубата на образец.

Апаратура

Inspector FI може да се използва с следните хардуерни компоненти за провеждане на атаки:

VC Glitcher с допълнителен усилвател на сблъсъци.
Станция с диоден лазер с допълнителна многоточкова актуализация.
PicoScope 5203 или IVI-съвместим осцилоскоп.

Inspector FI с генератора на сблъсъци VC Glitcher, тригерния генератор icWaves, усилвателя на сблъсъци Glitch Amplifier и лазерната станция Laser Station.

Генераторът VC Glitcher образува ядрото на архитектурата за сблъсъци на системата Inspector. Използвайки свръхбърза FPGA технология, могат да се генерират сблъсъци с продължителност само две наносекунди. Апаратурата има удобен за потребителя програмен интерфейс. Програмата за сблъсък, създадена от потребителя, се зарежда в FPGA преди тестовото протичане. VC Glitcher включва интегрална схема за въвеждане на сблъсъци по напрежение и сблъсъци на тактови импулси, както и изходен канал за управление на лазерната станция.

Станцията с диоден лазер се състои от специален комплект мощни диодни лазери с изработена по поръчка оптика, която бързо и гъвкаво се управлява от VC Glitcher. Оборудването повишава оптичните тестове на ново ниво, осигурявайки ефективни многобройни сблъсъци, 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, на микросхемата могат да бъдат подложени на тестиране няколко области, използвайки различни параметри по синхронизация и напрежение на захранването.

Сигнална базирана стартиране с използване на тригерен генератор на импулси icWaves

Джиттер на тактовите импулси, случайни прекъсвания на процеса и зависимата от данни продължителност на процеса изискват гъвкаво превключване на грешките и събиране на данни от страничен канал. Генераторът на icWaves системата Inspector създава тригерен импулс в отговор на откритие в реално време на отклонения от зададения модел по захранването на микросхемата или EM сигнала. Устройството включва специален теснополосен филтър, за да осигури откритие на съответствие с модела дори при зашумен сигнал.

Референтното трасе, използвано за съпоставяне с модела в устройството на базата на FPGA, може да бъде модифицирано с използване на функции за обработка на сигнали на Inspector. Смарт-картата, която е открила въвеждане на грешка, може да инициира защитен механизъм, за да изтрие секреените данни или да блокира картата. Компонентът icWaves също може да се използва, за да инициира изключване на картата всеки път, когато енергопотреблението 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, използващ SCA и FI за всякакви цели.

Отворен API: улеснява реализацията на нови модули
Изходен код: всеки модул се предлага с неговия изходен код, така че модулите могат да бъдат адаптирани според желанията на потребителя или използвани като основа за създаване на нови модули

Inspector FI

Inspector комбинира внедряване на грешки и методи за анализ на страничен канал в един високопроизводителен пакет.

Пример за анализ на поведението на грешка:

Областта на атаките по странични канали бързо се развива, а нови резултати от изследвания се публикуват всяка година, ставайки обществено известни или изискващи сертификация на схеми и стандарти. Inspector позволява на потребителите да бъдат в крак с новите разработки и редовните софтуерни актуализации, които реализират новите методи.

Източник: habr.com