dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

(Меня попросили простыми словами объяснить, как работают методы считывания секретных ключей через побочные излучения и наводки, например через измерение электрических параметров ноутбука, как продемонстрировано в недавней работе Genkin, Pipman, Tromer. Думаю, что описание достаточно интересно и для публикации на dxdt.ru, тем более, что в нём, на мой взгляд, есть наблюдения, полезные для понимания деталей работы современных реализаций RSA и принципов разработки криптографического ПО.)

Всякая сколь-нибудь сложная техника, особенно вычислительная, излучает в окружающее пространство разнообразные сигналы (это и есть “излучения”), а также изменяет параметры работы сопряжённых с данной техникой устройств и систем (это и есть “наводки”). На практике, убрать побочные излучения и наводки полностью – нельзя. Именно поэтому мы регулярно видим новые работы, достающие секреты при помощи всё более оригинальных измерений на побочных каналах.

Основная идея использования излучений и наводок для создания канала утечки состоит в том, чтобы при помощи анализа тех или иных параметров научиться определять внутреннее состояние атакуемой системы, с привязкой к некоторой временной шкале. (Это верно даже для тривиального случая, когда “защищаемая” информация по недосмотру просто транслируется в эфир.)

Но недостаточно научиться лишь различать внутренние состояния системы, измеряя внешние параметры – нужно ещё суметь сопоставить эти состояния со значением проводимых системой операций. То есть, грубо говоря, провести “декодирование” или раскрытие сигнала. В случае с программным обеспечением, выполняющим криптографические вычисления, векторы атак направлены в сторону различий в использовании ресурсов для реализации тех или иных операций. Хрестоматийный пример: реализация умножения чисел, занимающая разное время в зависимости от значений сомножителей.

Кстати, именно наличие побочных каналов утечек задаёт совершенно другие требования к архитектуре криптографического ПО: его разработчики не только должны отлично владеть программированием как таковым, но и в деталях понимать особенности исполнения программного кода аппаратным обеспечением; это, естественно, кроме досконального знания криптографических алгоритмов. Одной из фундаментальных задач при разработке криптографического ПО является создание такого кода, для которого действовал бы принцип неразличимости “внешним наблюдателем” проводимых над разными операндами низкоуровневых операций между собой и между операндами. В том числе, принцип должен действовать для такого наблюдателя, который может изменять данные, поступающие на вход функций криптобиблиотеки (см. ниже). Поэтому разработка качественных криптобиблиотек представляет собой обособленный вид магии, сильно отличающийся от других направлений программирования. Разобраться в этой магии чрезвычайно сложно, ещё сложнее – научиться её применять.

Перейдём к конкретному примеру, описанному в исходной работе: получение ключа RSA при помощи измерения электрического потенциала на корпусе (“земле”) ноутбука. (В работе речь идёт также о криптосистеме ElGamal, но принцип атаки совершенно аналогичен, поэтому мы будем рассматривать только случай RSA.) RSA использует операцию возведения в степень, и для шифрования, и для расшифровывания. Напомню, что секретной в RSA является расшифровывающая экспонента, обратная к шифрующей экспоненте. Последняя входит в состав открытого ключа, наряду с модулем (большим числом, задающим конечное множество чисел, в котором осуществляются операции для данного ключа). RSA работает с очень большими числами (2048 бит и более). Арифметические операции над ними, если их осуществлять “в лоб”, занимали бы слишком много времени, даже при работе на самых мощных компьютерах. К счастью, известно большое число оптимизаций, сводящих умножение (возведение в степень) больших целых чисел RSA к некоторому разумному количеству операций. Эти оптимизации всегда являлись проводником для возникновения побочных каналов утечек. Они же используются и в этот раз.

Итак – секретной частью ключа RSA является расшифровывающая экспонента. Это целое число. Достаточно большое. В компьютерной памяти, естественно, оно представлено в двоичном виде. Операции с ним также осуществляются, грубо говоря, побитно – это одна из оптимизаций для быстрого умножения. После того, как исследователи определили, что можно различить исполняемые центральным процессором компьютера серии одних и тех же операций, измеряя потенциал на его корпусе, осталось найти такие зацепки в программном коде, которые позволили бы, на основе этих измерений, различать единицы и нули шифрующей экспоненты. Здесь и кроется основная задумка работы. Зацепки удалось найти в части кода GpuPG, осуществляющей умножение: здесь для 1 и 0 шифрующей экспоненты выбирались разные ветки кода, исполнение которых, при определённых условиях (см. ниже про шифротекст), оставляло разные следы в измеряемом канале утечки.

В RSA шифруемое/расшифровываемое сообщение также представляет собой большое целое число (по длине записи соответствующее длине ключа). При шифровании это число (сообщение) возводится в степень, соответствующую открытой экспоненте. Для дешифрования служит обратная, секретная экспонента. То есть, для того, чтобы наблюдать операции с секретным ключом, атакуемая система должна расшифровывать сообщения – возводить полученные числа в степень, используя соответствующий фрагмент кода GnuPG. А чтобы исследователи могли увидеть биты секретной экспоненты, нужно чтобы возводимые числа (а точнее – одно число) имели специальный вид. Использование специального шифротекста называется “атакой с подобранным шифротекстом”. В рассматриваемом случае – это основная зацепка: если система работает с другими шифротекстами, извлечь ключ описанным способом невозможно.

Подобранный шифротекст вовсе не обязан быть каким-то осмысленным сообщением. Это просто число. Значение этого числа подбиралось по параметрам открытого ключа RSA таким образом, чтобы при обработке внутри низкоуровневых функций GnuPG для нулевых битов секретной экспоненты получались промежуточные значения одного из операндов, содержащие в своем представлении большое число нулевых элементов (промежуточных произведений), а для битов секретной экспоненты, которые равны единице – нулевых элементов было бы мало. Это довольно тонкое наблюдение, очередной раз подтверждающее, что если реализация криптосистем в программном коде – штука, обладающая многими гранями сложности, то работа криптоаналитика с этими системами больше напоминает рыбалку: собирая снасти, никогда точно не знаешь, что поймаешь.

Выбрать правильный шифротекст, из-за особенностей реализации RSA, не представляло особого труда: подходит значение m – 1, где m = pq – модуль ключа, который, как известно, равен произведению двух простых чисел p и q. Значение модуля является открытым. (В секрете держится только разложение на p и q. Несмотря на то что, строго говоря, для расшифровывания сообщения нужно знать только расшифровывающую экспоненту, значения p и q сохраняются, чтобы в дальнейшем использовать их для оптимизации умножения при расшифровывании сообщений.)

Собственно, дальнейшие действия очевидны: передать подобранный шифротекст в атакуемую систему можно, отправив зашифрованное открытым ключом сообщение электронной почты; в записанном сигнале утечки нулям секретной экспоненты будут соответствовать хорошо различимые сигнатуры, последовательно расположенные на временной шкале. Достаточно записать их и – получаем секретный ключ.

Ещё раз остановлюсь на ключевых моментах: побочные излучения и наводки есть практически всегда; для их использования в качестве канала утечки нужно научиться по измеряемым физическим параметрам (электрический потенциал, звуковое давление, что-то ещё) различать внутренние состояния атакуемой системы; для извлечения полезной информации при атаках на конкретное ПО требуется также правильно сопоставить различным внутренним состояниям логические этапы работы используемой криптосистемы.

И рекомендую почитать исходную работу (PDF).

Адрес записки: https://dxdt.ru/2014/08/24/6905/