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Diesmal haben wir die Latte ordentlich hoch gelegt. Mit Michael Kasper und Markus Bechtold vom Fraunhofer Institut geben wir euch einen kleinen aber ordentlichen Einblick in das Feld der Seitenkanal-Analysen und Attacken. Als kleines Experiment veröffentlichen wir diesmal unsere Shownotes gleich mit.

Shownotes:

Block 1: Einführung
- Angriffsziele
  - Schlüssel (Masterkey, Sessionkey), kryptographisches Geheimnis
  - Schwächere Angriffsziele: Entschlüsselung einzelner Chiffrate, Fälschen von Signaturen, Aushebelung : Anonymität/Pseudonymität, Privacy, ...
- Angriffsvoraussetzungen (allgemein)
  - Algorithmus bekannt, Known-Cipher/Plaintext, Chosen-Cipher/Plaintext, Adaptive Verfahren, Zugriff auf Hardware/Implementierungen (1..n), Angreifer kann HW zerstören / kann nicht zerstören, ..
- SCA: in der Regel bei Whitebox (Kerkhoff) (gegenteil zur Blackbox)
- Angriffsklassen + Seitenkanalangriffe / Begriffsbestimmung
  - „Klassische“ Angriffe -> Kryptanalyse, Hardware (z.B. Mikroprobing), Protokollangriffe, OS, Schwachstellen in SW (Overflows, ...), Trojaner, Viren, ...
- Seitenkanalangriffe: ? Seitenkanalangriffe nutzen ”Nebeninformationen” des IT-Systems während dessen ordnungsgemäßer Nutzung. Im Allgemeinen findet keine Beeinflussung des IT-Systems statt! SCA -> passiver Angriff (non-invasive, semi-invasiv). -> Beobachten des IT-Systems
- Klassen von Seitenkanalangriffen / Abgrenzung Fault-Attacken
  - Laufzeitanalysen / Timing-Attacken, Power Analysen, Abstrahlangriffe (Tempest, EM-Analysen), Akustische + Optische SCA, Cache-Angriffe / Mikroarchitekturelle Angriffe (Cache-Angriffe, Instruktions-Cache-Angriffe (I-Cache-Attacken), Branch-Prediction-Angriffe (BPA)
  - jeweils kurze Beispiele
- Real World: im Allgemeinen sind es kombinierte Angriffe;
  - Beispiel: RevEng + SCA (Power + Timing) + Gitterverfahren
Block 2: Laufzeitangriffe / Timing Attacks
- „Attacks based on measuring how much time various computations take to perform“
- Grundidee einer Timingattacke
- Effiziente Implementierung (kurzer Exkurs)
  - Exkurs: Basisoperationen/algorithmen in Krypto: Addition/Substraktion/Multiplikaton (Karatsuba oder Schoolbook) /Quadrierung/Division/GCD/ CRT/Exponentation->Square&Multiply (left-to-right/right-to-left binary)
  - Advanced Methods: Montgomery Reduction/Montgomery Multiplikation/Barret Reduction/Garner; Montgomery Ladder; Tabellierungsmethoden (Fixed Windows/Sliding Windows, wNAF, ...)
  - Gutes Buch (online verfügbar): Handbook of Applied Cryptography
- Beispiel: RSA + Square & Multiply
  - Grundlagen RSA (relevante Eigenschaften)
  - Praktische Messung der Laufzeit -> TSC + RDTSC / x86
- Beispiel:
  - Kocher, 1996 (RSA -> Square+Multiply)
  - D. Brumley & Boneh, 2003 (RSA -> Montgomery Multipliation / Extrareduktion) + Exkurs JavaVM
  - B. Brumley & Tuervi, 2011 -> ECC, Montgomery Ladder + Lattice-Reduction)
    - relativ einfach; aber wirkungsvoll ;-)
- Gegenmaßnahmen und Schutztechniken

Kocher (1996) Timing Angriffe (erste Publikation) (RSA *2) ECC (Brumley) -> 15 Jahre und kein Ende in Sicht -> z.B. SaaS Verwundbarkeit / Traffic Analysen / ...

Block 3: Power-Analysis
- Einführung / Hintergrund
  - Begriffsbestimmung: „Power monitoring analysis — attacks which make use of varying power consumption by the hardware during computation.“
  - Angriffsursache: CMOS Technik -> Schaltvorgänge verursachen Kurzschlussstrom -> ... kann für Angriffe genutzt werden
    - In CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Technologie werden sowohl N- als auch P-Kanal Transistoren benutzt, um logische Funktionen zu realisieren.
    - CMOS Technologie die dominante Halbleitertechnologie für Mikroprozessoren, Speicher (SRAM und DRAM) und anwenderspezifische integrierte Schaltungen (ASICs).
    - Hauptvorteil von CMOS gegenüber NMOS oder bipolarer Technologie ist der viel kleinere Energieverbrauch
      - statische CMOS Gatter haben (fast) keinen statischen Energieverbrauch.
      - Die Gatter verbrauchen nur Strom, wenn die Gatter wirklich umschalten.
      - Aber: der Kurzschlussstrom bei diesen Umschaltvorgängen führt zu Seitenkanalinformationen
      - --> z.B. Bittransitionen in Register
  - Notwendiges Know-How: Interdisziplinäres Forschungs- und Arbeitsfeld (Mathematik, Elektrotechnik, Informatik, HW/SW Designer, ...)
  - Typische Angriffsziele / Angriffsobjekte: mC / Embedded, FPGA, ASICs
  - Typische Anwendungsfelder / Produkte mit notwedniger Seitenkanalresistenz
  - Typischer Messaufbau
    - Wie sehen typische „SCA“ Labore aus? Ausstattung.
    - Wer betreibt sowas?
    - Geht es auch zu Hause? Wenn ja, wie sieht die Minimalausrüstung aus? Was braucht man für den Heimgebrauch?
- Analyseverfahren:
  - SPA (Simple Power Analysis)
    - Grundidee
    - Beipiel: Kocher RSA + Square & Multiply
  - Differential Power Analysis (DPA) / Correlation Power Analysis (CPA)
    - Grundidee bei Blockchiffren
    - Leakage-Modelle:
      - Hamming Gewicht / Hamming Distanz / Bit-Modelle /...
      - Schlüssel-Hypothesenberechung
      - Korrelation: Power / Hypothesen
    - Beispiel: AES
      - AES in a Nutshell
      - Beipsiel Leakage-Analyse
        
        ASIC/FPGA: Hamming-Distanz Modell / Bitübergänge letzte Runde
        
        mC: Hamming-Gewicht-Modell
      - Angriffseffizienz:
        
        Wieviele Traces braucht man so?
  - Profiling-basierte Verfahren (mit Trainingsphase an typgleichen Device)
    - Szenario: Trainingsdevice vorhanden; möglichst wenig Messungen in der Angriffsphase
    - Template-Attacken, Stochastischer Ansatz
  - Gegenmaßnahmen und Schutztechniken
  - Kombinierte Verfahren: z.B. Algebraische Seitenkanalanalyse

Asym. Krypto (square/multiply) Verrauscht in Echt-Welt Equipment DPA -> Differantial Power Analysis Praktische Relevanz -> Garagentor (Keyloq) Chosen,Known Plaintext CPA Stochastik Profilingbasiert, Templateverfahren Antrainieren, "Datamining", Patternmatching Mögliche Gegenmaßnahmen

Block 4: Abstrahlangriffe
- Tempest, RF Fingerprinting (nur kurz da zu umfangreich)
- Elektromagnetische Analysen (EM)
  - ähnlich Power Analysen
  - Leakage-Lokalisierung auf dem Chip möglich
  - Sonden Nahfeldsonden:
    - Einfache sonde: RF-U 5 - 2 / Hersteller Langer EMV
    - Kosten für Satz: >1k Eur; kann auch selbst hergestellt werden
    - RF-U 5 - 2: Die Nahfeldsonde hat die Funktion einer Stromzange. Sie erfasst über das um einen Leiter oder Leiterstrang wirbelnde Magnetfeld den das Feld erzeugenden Strom.
    - Vorverstaerker meistens notwendig
    - Hohe Aufloesung zur lokalisierung:
      - ICR HV100-27 / 100 µm, 1,5 MHz - 6 GHz, 60 µm
      - ICR E 150, E-Feldsonde; Abmessungen der Elektrode: 150 x 35 µm
    - Messbereich: 7 MHz - 3 GHz
    - Auflösung: 65 µm
  - Messsetup + XYZ-Alpha Tisch
  - auch: Spektralanalyse
Block 5: SCALAB / SCA@Home
- Welche Tools und Analyseframeworks gibt es ?
  - OpenSCA -> Matlab Analyseframework
- SCALAB:
  - Evaluationsboard wird von uns OpenSource gestellt
  - Messreihen sowohl für ungeschützte Designs als auch geschützte Designs werden bald bei uns bereitstehen ... stay tuned ;-)
- Alternativ: DPA Contest v2 / DPA Contest v3
- Vorlesung und Weiterbildungsabgebote
- Weiterführende Literatur zu SCA
Block 6: Exkurs: Fault Attacken / HW Reverse Engineering
- Fault Attacken
  - Beispiel: RSA CRT
  - Wie provoziert man Fehler:
    - Beispiel: Laserattacken
    - Burst, Glitches, EMP
  - Microprobing
  - HW Reverse Engineering
    - Beispiel: Mifare/Dect
      - Tools/Projecte: Degate, Depcb
    - Beispiel: iButtons
- Welche Gegenmaßnahmen existieren: Sensoren, Scrambling
- Sind diese ausreichend?
Block 7: Vorbereitung / Präparierung (optional)
- Depackaging: Wie öffne ich einen mC?
- Laborbedingungen
  - Kolophonium for the Masses ;-)
  - rauchende Salpetersäure

LINKS + LITERATUR:

W. Schindler, M. Kasper: Seitenkanalangriffe gegen IT-Systeme - Vorlesungsskript, SS2011, TU Darmstadt http://cascade.cased.de/files/ss2011_sidechannel_skript_stand_23062011.pdf
COSADE Workshop

http://cosade.cased.de

Externe Links / Web:

Side Channel Attacks Database, Reliable Computing Laboratory, Boston University
Side Channel Cryptanalysis Lounge, ECRYPT
DPABook.org, Stefan Mangard, Elisabeth Oswald, Thomas Popp
OpenSCA, An open source toolbox for Matlab, Elisabeth Oswald, University of Bristol,
DPA Contest 2010, VLSI research group, TELECOM ParisTech
Side-channel Attack Standard Evaluation Board (SASEBO), Research Center for Information Security (RCIS), Tokyo, Japan

Literatur Timing Attacks / Cache Attacks:

P. Kocher: Timing Attacks on Implementations of Di?e-Hellman RSA, DSS and other Systems. In: N. Koblitz (Hrsg.): Advances in Cryptology — Crypto ’96, Springer Lecture Notes in Computer Science 1109, Berlin 1996, 104–11 http://www.cryptography.com/public/pdf/TimingAttacks.pdf
W.-F. Dhem, F. Koeune, P.-A. Leroux, P. Mestr´e, J.-J. Quisquater, J.-W.Willems: A Practical Implementation of the Timing Attack. In: J.-J. Quisquater, B. Schneier (Hrsg.): Smart Card — Research and Applications, Springer, Lecture, Notes in Computer Science 1820, Berlin 2000, 175–191
W. Schindler: On the Optimization of Side-Channel Attacks by Advanced Stochastic Methods. In: S. Vaudenay (Hrsg.): Public Key Cryptography — PKC 2005, Springer, Lecture Notes in Computer Science 3386, Berlin 2005, 85–103
D. Boneh, D. Brumley: Remote Timing Attacks are Practical. In: Proceedings of the 12th Usenix Security Symposium, 2003
B. Brumley, N. Tuveri: Remote Timing Attacks are Still Practical. http://eprint.iacr.org/2011/232
D. J. Bernstein: Cache-timing attacks on AES. April, 2005. http://cr.yp.to/antiforgery/cachetiming-20050414.pdf
O. Acicmez, C¸ . K. Koc: Trace-Driven Cache Attacks on AES. http://eprint.iacr.org/2006/138
E. Bangerter, D. Gullasch, S. Krenn: Cache Games - Bringing Access Based Cache Attacks on AES to Practice. Cryptology ePrint Archive, Report 2010/594, http://eprint.iacr.org/2010/594
M. Neve: Cache-based Vulnerabilities and SPAM Analysis. Ph.D. Thesis, Applied Science, UCL, July 2006.

Literatur Power-Analysis:

J. Daemen, V. Rijmen. ”The Design of Rijndael”. Springer, Berlin 2001
[FI197] NIST: FIPS PUB 197: Advanced Encryption Standard (AES): November 26, 2001. http://crsc.nist.gov/publications/?ps/?ps197/?ps-197.pdf
S. Mangard, E. Oswald, T. Popp: Power Analysis Attacks - Revealing the Secrets of Smart Cards.Springer, Berlin 2007.
A.J. Menezes, P.C. van Oorschot, S.C. Vanstone: Handbook of Applied Cryptography. CRC Press,Boca Raton 1997.
[KoJJ99] P. Kocher, J. Ja?e, B. Jub: Di?erential Power Analysis. In: M. Wiener (Hrsg.): Advances in Cryptology - Crypto ’99. Springer, Lecture Notes in Computer Science 1666, Berlin 1999, 388-397
M. Aigner, E. Oswald: Power Analysis Tutorial, TU Graz 2008, http://www.iaik.tugraz.ac.at/aboutus/pople/oswald/papersdpa tutorial.pd
F.-X. Standaert, F. Koeune, W. Schindler: How to Compare Pro?led Side-Channel Attacks. In: M. Abdalla, D. Pointcheval, P.-A. Fouque, D. Vergnaud (Hrsg.): Applied Cryptography and Network Security — ACNS 2009, Springer, Lecture Notes in Computer Science 5536, Berlin 2009, 485–498.
S. Chari, J.R. Rao, P. Rohatgi: Template Attacks. In: B.S. Kaliski Jr., C¸ .K. Ko¸c, C. Paar (Hrsg.): Cryptographic Hardware and Embedded Systems — CHES 2002, Springer, Lecture Notes in Computer Science 2523, Berlin 2003, 13–28
M. Kasper,W. Schindler, M. Stöttinger: A Stochastic Method for Security Evaluation of Cryptographic FPGA Implementations. In: 2010 International Conference on FieldProgrammable Technology — FPT 2010, IEEE Press, CFP10528?CDR, 2010, 146–153.
S. Tillich, C. Herbst: Attacking State-of-the-Art Software Countermeasures — A Case Study. In: E.Oswald, P. Rohatgi (Hrsg.): Cryptographic Hardware and Embedded Systems — CHES 2008, Springer, Lecture Notes in Computer Science 5154, Berlin 2008, 228–243

Literatur & Links HW RevEng: tbd.

http://www.degate.org/
http://www.siliconzoo.org/
Friedrich Beck. Präparationstechniken für die Fehleranalyse an integrierten Halbleiterschaltungen. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1988. ISBN: 3- 527-26879-9.
Datenschleuder #094, Artikel: „Unter die Haut“ http://ds.ccc.de/pdfs/ds094.pdf
CCCB, IC-Entkapselung mit Kolophonium: https://berlin.ccc.de/wiki/Experiment:_IC-Entkapselung_mit_Kolophonium

Fnordfunk 064: Seitenkanal Analysen

Shownotes: