通過使用 iPhone 或商業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像頭來恢復(fù)存儲在智能卡和智能手機(jī)中的加密密鑰，以視頻記錄顯示讀卡器或智能手機(jī)何時(shí)打開的電源 LED。通過仔細(xì)監(jiān)控功耗、聲音、電磁輻射或操作發(fā)生所需時(shí)間等特性，攻擊者可以收集足夠的信息來恢復(fù)支持加密算法安全性和機(jī)密性的密鑰。如今，黑客可以通過近20米外的視頻錄制電源LED竊取加密密鑰。
【資料圖】
左圖是智能卡讀卡器正在處理插入智能卡的加密密鑰，右圖是一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭從近20米外的地方記錄下讀取器的電源LED
研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種新的攻擊方法，通過使用iphone或商業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像頭，記錄下讀卡器或智能手機(jī)打開時(shí)顯示的電源LED，可以恢復(fù)存儲在智能卡和智能手機(jī)中的秘密加密密鑰。
這些攻擊提供了一種利用兩個(gè)先前披露的側(cè)信道的新方法，側(cè)信道攻擊(side channel attack 簡稱SCA)，又稱側(cè)信道攻擊，核心思想是通過加密軟件或硬件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種泄漏信息獲取密文信息。在狹義上講，側(cè)信道攻擊特指針對密碼算法的非侵入式攻擊，通過加密電子設(shè)備在運(yùn)行過程中的側(cè)信道信息泄露破解密碼算法，狹義的側(cè)信道攻擊主要包括針對密碼算法的計(jì)時(shí)攻擊、能量分析攻擊、電磁分析攻擊等，這類新型攻擊的有效性遠(yuǎn)高于密碼分析的數(shù)學(xué)方法，因此給密碼設(shè)備帶來了嚴(yán)重的威脅。在本例中，通過仔細(xì)監(jiān)控功耗、聲音、電磁發(fā)射或操作發(fā)生所需的時(shí)間等特征，攻擊者可以收集足夠的信息來恢復(fù)支撐加密算法安全性和機(jī)密性的密鑰。
側(cè)信道開發(fā)過程最近發(fā)現(xiàn)的側(cè)信道分別是Minerva和Hertzbleed，分別于2019年和2022年被發(fā)現(xiàn)。Minerva能夠通過在一個(gè)稱為標(biāo)量乘法的加密過程中測量時(shí)序模式來恢復(fù)美國政府批準(zhǔn)的智能卡的256位密鑰。Hertzbleed允許攻擊者通過測量英特爾或AMD CPU執(zhí)行某些操作的功耗來恢復(fù)后量子SIKE加密算法使用的私鑰。考慮到一個(gè)使用時(shí)間測量，另一個(gè)使用電源測量，Minerva被稱為定時(shí)側(cè)信道，而Hertzbleed可以被視為電源側(cè)信道。
研究人員最近公布了一項(xiàng)新研究，展示了一種利用這些側(cè)信道的新方法。第一種攻擊使用連接互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控?cái)z像頭在加密操作期間拍攝智能卡讀卡器上電源LED或連接的外圍設(shè)備的高速視頻。這項(xiàng)技術(shù)使研究人員能夠從Minerva使用的同一張政府批準(zhǔn)的智能卡上提取256位ECDSA密鑰。另一種方法使研究人員能夠通過在連接到手機(jī)的USB揚(yáng)聲器的電源LED上訓(xùn)練iPhone 13的攝像頭來恢復(fù)三星Galaxy S8手機(jī)的專用SIKE密鑰，類似于Hertzbleed從英特爾和AMD CPU上獲取SIKE密鑰的方式。
電源led用于指示設(shè)備何時(shí)打開，它們通常會發(fā)出藍(lán)色或紫色的光，亮度和顏色會根據(jù)所連接設(shè)備的功耗而變化。
這兩種攻擊都有局限性，使得它們在許多現(xiàn)實(shí)場景中不可行。盡管如此，已發(fā)表的研究還是具有開創(chuàng)性的，因?yàn)樗峁┝艘环N全新的方式來促進(jìn)側(cè)信道攻擊。不僅如此，新方法還消除了阻礙現(xiàn)有方法利用側(cè)信道的最大障礙，即需要示波器、電探針或其他物體等儀器接觸或靠近被攻擊的設(shè)備。
在Minerva的示例中，為了讓研究人員收集足夠精確的測量數(shù)據(jù)，智能卡讀卡器的主機(jī)必須被攻破。相比之下，Hertzbleed并不依賴于受攻擊的設(shè)備，而是花了18天的時(shí)間與易受攻擊的設(shè)備進(jìn)行持續(xù)交互，以恢復(fù)私鑰。要攻擊許多其他側(cè)信道，例如第二次世界大戰(zhàn)加密電傳終端中的側(cè)信道，攻擊者必須在目標(biāo)設(shè)備上或附近安裝專用且通常昂貴的儀器。
近期發(fā)布的基于視頻的攻擊減少或完全消除了此類要求，要想竊取存儲在智能卡上的私鑰，只需要在距離目標(biāo)讀卡器20米遠(yuǎn)的地方安裝一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控?cái)z像頭。三星Galaxy手機(jī)的側(cè)信道攻擊可以通過已經(jīng)在同一個(gè)房間里的iPhone 13攝像頭來執(zhí)行。
本文的亮點(diǎn)就是你不需要連接探測器、連接示波器或使用軟件定義的無線電。該方法沒有攻擊性，你可以使用智能手機(jī)等普通或流行的設(shè)備來實(shí)施攻擊。對于連接互聯(lián)網(wǎng)的攝像機(jī)來說，你甚至不需要接近物理場景就可以實(shí)施攻擊，這是軟件定義的無線電或連接探針或類似物無法做到的。
與傳統(tǒng)的側(cè)信道攻擊相比，該技術(shù)還有另一個(gè)好處：精確性和準(zhǔn)確性。Minerva和Hertzbleed等攻擊通過網(wǎng)絡(luò)泄露信息，這會引入延遲并增加噪聲，而這些噪聲必須通過從大量操作中收集數(shù)據(jù)來補(bǔ)償。這一限制導(dǎo)致Minerva攻擊需要目標(biāo)設(shè)備被破壞，而Hertzbleed攻擊需要18天時(shí)間。
使用卷簾快門(rolling shutter)令許多人驚訝的是，一臺記錄電源LED的標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)提供了一種數(shù)據(jù)收集方式，對于測量通過側(cè)信道泄漏的信息來說，這種方式要高效得多。當(dāng)CPU執(zhí)行不同的加密操作時(shí)，目標(biāo)設(shè)備消耗不同的電量。這些變化會導(dǎo)致設(shè)備或連接到設(shè)備的外圍設(shè)備的電源LED的亮度變化，有時(shí)還會導(dǎo)致顏色變化。
為了足夠詳細(xì)地捕捉LED的變化，研究人員啟動了新型相機(jī)中可用的卷簾快門。卷簾快門是一種圖像捕捉形式，在某種程度上類似于延時(shí)攝影。它以垂直、水平或旋轉(zhuǎn)的方式逐行快速記錄幀。傳統(tǒng)上，相機(jī)只能以其幀速率拍攝照片或視頻，幀速率最高可達(dá)每秒60至120幀。
該說明了卷簾快門捕捉旋轉(zhuǎn)光盤背后的原理
激活卷簾快門可以提高采樣率，每秒收集大約60,000個(gè)測量值。研究人員在設(shè)備執(zhí)行加密操作時(shí)，將當(dāng)前打開或連接在設(shè)備上的電源LED完全填充到一個(gè)框架中，利用卷簾快門，使攻擊者有可能收集到足夠的細(xì)節(jié)來推斷存儲在智能卡、手機(jī)或其他設(shè)備上的密鑰。
這是可能的，因?yàn)樵O(shè)備的電源LED的強(qiáng)度/亮度與其功耗相關(guān)，因?yàn)樵谠S多設(shè)備中，電源LED直接連接到電路的電源線，缺乏有效的手段(例如，濾波器，電壓穩(wěn)定器)來解耦相關(guān)性。
研究人員實(shí)證分析了視頻攝像機(jī)的靈敏度，并表明它們可以用于進(jìn)行密碼分析，原因有兩個(gè)，一是設(shè)備的電源LED的視頻片段的單個(gè)RGB通道的有限8位分辨率(256值的離散空間)足以檢測由加密計(jì)算引起的設(shè)備功耗差異，二是攝像機(jī)的卷簾快門可以利用視頻片段中電源LED的強(qiáng)度/亮度的采樣率提高到執(zhí)行密碼分析所需的水平，即將視頻片段中電源LED的強(qiáng)度/亮度的測量次數(shù)(采樣率)增加三個(gè)數(shù)量級，從FPS速率(每秒提供60-120次測量)到卷簾快門速率(在iPhone 13 Pro Max中每秒提供6萬次測量)，通過縮放目標(biāo)設(shè)備電源LED上的攝像機(jī)，使LED的視圖填充整個(gè)視頻片段。這樣，可以使用攝像機(jī)作為專業(yè)專用傳感器的遠(yuǎn)程攻擊替代品，這些傳感器通常用于密碼分析（例如，示波器、軟件定義的無線電）。
視頻1和視頻2 分別顯示了智能卡讀卡器和三星Galaxy手機(jī)在執(zhí)行加密操作時(shí)的視頻捕獲過程。用肉眼看，這段視頻看起來沒什么特別的。
但是，通過分析綠色通道中不同RGB值的視頻幀，攻擊者可以識別加密操作的起止進(jìn)程。
一些限制條件研究中假設(shè)的威脅模型是，目標(biāo)設(shè)備正在創(chuàng)建數(shù)字簽名或在設(shè)備上執(zhí)行類似的加密操作。該設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)開/關(guān)類型1或指示電源類型2電源LED，其保持恒定顏色或響應(yīng)觸發(fā)的加密操作時(shí)改變顏色。如果設(shè)備沒有1型或2型電源LED，則必須連接到有此功能的外圍設(shè)備。這些電源LED的亮度或顏色必須與設(shè)備的功耗相關(guān)。
攻擊者是一個(gè)惡意實(shí)體，可以在加密操作發(fā)生時(shí)持續(xù)錄制設(shè)備或外圍設(shè)備(如USB揚(yáng)聲器)的電源LED。在智能卡讀卡器的示例中，攻擊者首先通過攻擊距離讀卡器電源LED近20米遠(yuǎn)的監(jiān)控?cái)z像頭來獲取視頻。攝像頭被劫持的前提是，攻擊者必須能夠控制攝像頭的縮放和旋轉(zhuǎn)?？紤]到許多聯(lián)網(wǎng)攝像機(jī)被研究人員、現(xiàn)實(shí)世界的僵尸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和其他攻擊者主動攻擊的示例，目前假設(shè)條件并不是一個(gè)特別高的要求。
當(dāng)攝像頭在近20米遠(yuǎn)的地方時(shí)，房間的燈必須關(guān)閉，但如果監(jiān)控?cái)z像頭在大約2米遠(yuǎn)的位置時(shí)，則可以打開燈。攻擊者也可以用iPhone記錄智能卡讀卡器的電源LED。視頻必須持續(xù)運(yùn)行65分鐘，在此期間，閱讀器必須不斷地執(zhí)行操作。
對于三星Galaxy，攻擊者必須能夠在相當(dāng)近的距離內(nèi)記錄USB連接揚(yáng)聲器的電源LED，同時(shí)手機(jī)執(zhí)行SIKE簽名操作。
攻擊假設(shè)存在一個(gè)現(xiàn)有的側(cè)信道，該信道在執(zhí)行加密操作時(shí)泄露設(shè)備的功耗、時(shí)間或其他物理表現(xiàn)。插入讀卡器的智能卡使用了一個(gè)代碼庫，該代碼庫尚未針對Minerva攻擊進(jìn)行修補(bǔ)。三星Galaxy使用的一個(gè)庫仍然容易受到Hertzbleed.的攻擊，很可能在未來發(fā)現(xiàn)的一些側(cè)通道也會允許此類攻擊。
威脅模型極大地限制了當(dāng)前攻擊的工作場景，因此攻擊不太可能針對軍事基地或其他高安全設(shè)置中使用的讀卡器。
這是因?yàn)樽x卡器本身很可能是修復(fù)過的，即使沒有被修復(fù)，在這些環(huán)境中發(fā)給員工的智能卡也會每隔幾年輪換一次，以確保它們包含最新的安全更新。即使讀卡器和智能卡都容易受到攻擊，讀卡器也必須在整整65分鐘內(nèi)持續(xù)處理卡，這在安全檢查中的標(biāo)準(zhǔn)刷卡過程中是不可能實(shí)現(xiàn)的。
但并非所有設(shè)置都受到如此嚴(yán)格的限制。這六種智能卡讀卡器都可以在亞馬遜上買到，并且與美國軍方使用的通用門禁卡(稱為cac)兼容。其中四個(gè)閱讀器的廣告上寫著“國防部”、“軍隊(duì)”或兩者兼而有之。軍方或政府人員在遠(yuǎn)程登錄非機(jī)密網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用這種讀卡器均屬正常。
一般來說，只要你的操作系統(tǒng)支持特定的制造商和型號，訪問國防部資源需滿足兩個(gè)條件即可，1.為操作系統(tǒng)安裝了當(dāng)前的根和國防部CA，以信任你的智能卡證書和你連接的網(wǎng)站/服務(wù)的證書，2.有問題的資源可以從公共互聯(lián)網(wǎng)直接訪問而不是先連接內(nèi)部VPN。公司、州或地方政府以及其他組織則沒有那么多限制。
三星Galaxy攻擊的另一個(gè)限制是，在發(fā)現(xiàn)一種使用復(fù)雜數(shù)學(xué)和一臺傳統(tǒng)PC來恢復(fù)保護(hù)加密交易的密鑰攻擊后，SIKE算法被進(jìn)行了限制。
對于此假設(shè)攻擊，三星進(jìn)行了回復(fù)：
我們可以確認(rèn)，研究人員在Galaxy S8上開發(fā)的假設(shè)攻擊已于2022年向我們報(bào)告，經(jīng)過審查，并被視為低風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槲覀兊脑O(shè)備上沒有使用特定的算法。消費(fèi)者隱私至關(guān)重要，我們將對所有設(shè)備保持最高標(biāo)準(zhǔn)的安全協(xié)議。
研究人員丹尼爾·格魯斯(Daniel Gruss)說，盡管這種攻擊目前還處于理論層面，但研究結(jié)果絕對是有趣和重要的，特別是在發(fā)現(xiàn)了Hertzbleed和Platypus的類似攻擊之后。與Platypus、Hertzbleed等相關(guān)攻擊越來越多，關(guān)鍵是電源側(cè)信道攻擊可以泄露的信息非常多。隨著基于遠(yuǎn)程軟件的攻擊或本文提出的基于視頻錄制/空氣間隙的攻擊，攻擊成功率提高了很多。另外，許多研究人員都觀察到，隨著新技術(shù)和漏洞的發(fā)現(xiàn)，攻擊只會隨著時(shí)間的推移而變得更易實(shí)現(xiàn)。從硬件發(fā)展角度來講，現(xiàn)在某些限制的因素，比如攝像機(jī)，未來隨著設(shè)備快速發(fā)展，幾年后本文講的理論上的攻擊可能會增加攻擊范圍或縮短攻擊所需的時(shí)間。
研究人員還對當(dāng)今基于視頻的密碼分析的真正潛力表示擔(dān)憂。在本文所說的研究中，他們專注于常用和流行的攝像機(jī)，以演示基于視頻的密碼分析，即一個(gè)RGB通道的8位空間、全高清分辨率和支持的最大快門速度。然而，新版本的智能手機(jī)已經(jīng)支持10位分辨率的視頻片段，例如，iPhone 14 Pro MAX和三星Galaxy S23 Ultra。此外，分辨率為12-14位的專業(yè)攝像機(jī)已經(jīng)存在，2樣的攝像機(jī)可能提供更高的靈敏度，這可能使攻擊者能夠通過電源LED的強(qiáng)度來檢測設(shè)備功耗的非常細(xì)微的變化。
此外，許多互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有研究中使用的攝像機(jī)(25倍)相比，具有更大光學(xué)變焦能力的聯(lián)網(wǎng)安全攝像機(jī)(30倍至36倍)已經(jīng)存在，并且可能已經(jīng)廣泛部署。這種安全攝像機(jī)可能允許攻擊者從比本文所演示的更遠(yuǎn)的距離對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行基于視頻的密碼分析。最后，新的專業(yè)攝像機(jī)目前支持1/180,000的快門速度(例如，富士膠片X-H2.3)，使用這種攝像機(jī)可能允許攻擊者以更高的采樣率獲得測量結(jié)果，這可能會使其他設(shè)備面臨基于視頻的密碼分析的風(fēng)險(xiǎn)。
研究人員給制造商推薦了幾種對策，以增強(qiáng)設(shè)備抵御基于視頻的密碼分析。其中最主要的是通過集成一個(gè)起“低通濾波器”的電容器來避免使用指示電源LED。另一種選擇是在電源線和電源LED之間集成一個(gè)運(yùn)算放大器。
目前尚不清楚受影響設(shè)備的制造商是否或何時(shí)會添加此類防范措施。目前，建議那些不確定自己的設(shè)備是否存在漏洞的人應(yīng)該考慮在電源LED上貼上不透明的膠帶。
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