Як атаки на визначення часу використовують варіації часу виконання, щоб отримати конфіденційну інформацію з системи?
Атаки на синхронізацію – це складний клас атак із сторонніх каналів, які використовують варіації часу, який необхідний системі для виконання криптографічних алгоритмів або інших чутливих операцій. Ці варіації можна виміряти й проаналізувати, щоб отримати конфіденційну інформацію, таку як криптографічні ключі, паролі чи інші конфіденційні дані. Фундаментальний принцип атак на визначення часу полягає в тому, що різні вхідні дані або стани системи можуть призводити до різного часу виконання, навіть якщо відмінності незначні. Ретельно вимірюючи цей час виконання, зловмисник може зібрати достатньо інформації, щоб реконструювати конфіденційні дані.
У контексті криптографічних систем атаки за часом є особливо потужними, оскільки багато криптографічних алгоритмів включають операції, час виконання яких може залежати від секретного ключа або відкритого тексту, що обробляється. Наприклад, розглянемо просту криптографічну операцію, таку як модульне піднесення до степеня, яка зазвичай використовується в криптографії з відкритим ключем (наприклад, RSA). Час, потрібний для виконання модульного піднесення до степеня, може змінюватись залежно від кількості бітів, установлених на 1 у експоненці. Якщо зловмисник може виміряти час, потрібний для виконання кількох модульних степенів з різними вхідними даними, він потенційно може зробити висновок про біти секретного показника.
Одна з найперших і найвідоміших атак на синхронізацію була продемонстрована Полом Кочером у 1996 році проти реалізацій RSA та Diffie-Hellman. Кохер показав, що, вимірявши час, необхідний цим алгоритмам для виконання операцій із закритим ключем, можна було вивести секретний ключ. Атака скористалася тим фактом, що певні операції в алгоритмах, наприклад модульне множення, займали різний час залежно від вхідних значень.
Іншим класичним прикладом атаки за часом є атака на алгоритм AES (Advanced Encryption Standard). AES — це алгоритм шифрування з симетричним ключем, який включає кілька раундів операцій заміни, перестановки та змішування. У деяких реалізаціях час, необхідний для доступу до пам'яті або виконання певних операцій, може залежати від значень секретного ключа та відкритого тексту. Ретельно вимірюючи час, потрібний для шифрування різних відкритих текстів, зловмисник може отримати інформацію про секретний ключ.
Щоб детально зрозуміти, як працюють атаки на синхронізацію, розгляньте наступні кроки, які зазвичай беруть участь у виконанні атаки на синхронізацію:
1. Фаза вимірювання: зловмисник постійно надсилає різні вхідні дані цільовій системі та вимірює час, необхідний системі для відповіді. Ці вимірювання мають бути точними, і для досягнення необхідної точності можуть знадобитися таймери з високою роздільною здатністю або спеціальне обладнання.
2. Збір даних: зловмисник збирає велику кількість вимірювань часу, що відповідають різним вхідним даних. Чим більше вимірювань буде зібрано, тим точніше зловмисник може отримати конфіденційну інформацію.
3. Статистичний аналіз: Зловмисник аналізує зібрані дані про час за допомогою статистичних методів, щоб визначити шаблони або кореляції між вхідними значеннями та часом виконання. Цей аналіз може виявити інформацію про внутрішній стан системи, наприклад значення секретних ключів або інші конфіденційні дані.
4. Витяг ключів: на основі статистичного аналізу зловмисник реконструює конфіденційну інформацію. Цей крок може включати розв’язання математичних рівнянь або використання методів машинного навчання для отримання секретних даних.
Щоб проілюструвати ці дії на конкретному прикладі, розглянемо часову атаку на функцію порівняння паролів. Багато систем використовують функції, які порівнюють паролі, надані користувачем, із збереженими паролями для автентифікації користувачів. Наївна реалізація такої функції може порівнювати паролі символ за символом і повертатися, як тільки буде виявлено невідповідність. Це означає, що час, витрачений на порівняння двох паролів, може відрізнятися залежно від кількості відповідних символів на початку паролів. Зловмисник може використати цю зміну часу, щоб вивести правильний пароль по одному символу за раз.
Наприклад, припустимо, що збереженим паролем є "securepassword". Зловмисник може почати з відправлення пароля «a» та вимірювання часу, необхідного для порівняння. Якщо порівняння швидке, зловмисник знає, що перший символ не є "а". Потім зловмисник пробує «b», «c» і так далі, поки не знайде символ, для порівняння якого потрібно трохи більше часу, що вказує на збіг. Потім зловмисник переходить до другого символу та повторює процес, зрештою відтворюючи весь пароль.
Щоб пом'якшити атаки за часом, можна застосувати кілька контрзаходів:
1. Алгоритми постійного часу: реалізуйте криптографічні алгоритми та інші чутливі операції таким чином, щоб забезпечити постійний час виконання незалежно від вхідних значень. Це може бути непросто, але важливо для запобігання атак за часом.
2. Випадкові затримки: введіть випадкові затримки у виконанні конфіденційних операцій, щоб приховати інформацію про час. Однак цей підхід може бути менш ефективним проти зловмисників, які можуть усереднювати випадкові затримки за багатьма вимірюваннями.
3. Техніка осліплення: використовуйте методи засліплення, щоб рандомізувати вхідні дані для криптографічних операцій, що ускладнює для зловмисників співвіднесення часу виконання з конкретними вхідними значеннями.
4. Апаратні засоби протидії: Використовуйте апаратні засоби протидії, такі як виділені криптографічні співпроцесори, які розроблені для протидії атакам із визначенням часу, забезпечуючи виконання в постійному часі або інші захисні заходи.
5. Аудит і тестування коду: Регулярно перевіряйте та тестуйте код на наявність уразливостей, особливо в криптографічних реалізаціях. Автоматизовані інструменти та методи можуть допомогти визначити потенційні витоки часу.
Часові атаки підкреслюють важливість урахування вразливостей бічних каналів при розробці та впровадженні безпечних систем. Незважаючи на те, що криптографічні алгоритми часто аналізують на їх математичну міцність, їх практична безпека також залежить від деталей реалізації та потенціалу для атак по бічному каналу. Розробники та фахівці з безпеки повинні бути пильними у вирішенні цих вразливостей, щоб забезпечити надійність криптографічних систем.
Інші останні запитання та відповіді щодо Атаки часу на процесор:
- Які труднощі та компроміси пов’язані з впровадженням апаратних і програмних засобів захисту від атак із синхронізацією при збереженні продуктивності системи?
- Яку роль відіграє предиктор гілок в атаках на синхронізацію ЦП і як зловмисники можуть маніпулювати ним для витоку конфіденційної інформації?
- Яким чином програмування з постійним часом може допомогти зменшити ризик атак із синхронізацією в криптографічних алгоритмах?
- Що таке спекулятивне виконання і як воно впливає на вразливість сучасних процесорів до атак із синхронізацією, таких як Spectre?
- Що таке таймінг-атака?