Гигабайты власти: информационные технологии между свободой и тоталитаризмом

Правда, после 11 сентября 2001 года разведывательные и правоохранительные органы получили массу дополнительных санкций на усиление электронной слежки, а вести разговоры о чрезмерном вторжении государства в тайну личной жизни стало как бы несвоевременно и "антипатриотично". А потому после 2001 года в Интернете заметно сократился объем новой содержательной информации о серьезных и явно искусственно созданных слабостях в защите коммуникационных компьютерных программ или, к примеру, в популярнейшей системе сотовой телефонии GSM.

Но и в 2000 году про защиту GSM практически все наиболее существенное стало уже известно, несмотря на многолетние попытки окружить подробности схемы завесой секретности.

Либо ложь, либо некомпетентность

Для начала - две цитаты. Две диаметрально противоположные точки зрения, которые сразу же дадут читателю представление об остроте проблемы.

Вот что говорил в конце 1999 г. Джеймс Моран, директор подразделения, отвечающего в консорциуме GSM за безопасность и защиту системы от мошенничества: "Никто в мире не продемонстрировал возможность перехвата звонков в сети GSM. Это факт... Насколько нам известно, не существует никакой аппаратуры, способной осуществлять такой перехват". [DM99]

А вот реакция Питера Гутмана, весьма известного хакера-криптографа из Оклендского университета (Новая Зеландия): "Имея ситуацию, когда целый ряд компаний продает оборудование для перехвата GSM (причем делается это уже в течение определенного времени и с весьма открытой рекламой в Сети), этот директор по безопасности "либо лжет, либо некомпетентен, либо и то, и другое разом" (цитируя строку из книги Deep Crack). Интересно то, что сейчас все рекламирующие данное оборудование фирмы устроили ограниченный доступ на свои сайты, по-видимому, для поддержания мифа о том, что "не существует аппаратуры, способной осуществлять такой перехват"".[PG99]

Всю вторую половину 1990-х годов в Интернете и СМИ не раз вспыхивали дискуссии как вокруг самой защиты системы мобильной связи GSM, так и вокруг многочисленных случаев ее компрометации. К концу десятилетия почти всем уже, по сути дела, стало ясно, что GSM - это классический пример провала стратегии, именуемой на англоязычном Западе SbO, что в зависимости от чувства юмора расшифровывают либо как Security by Obscurity (безопасность через неясность), либо как Security by Ostrich (безопасность по-страусиному). На протяжении примерно десяти лет постепенно обнажались типичные пороки и неудобства стратегии, согласно которой степень защиты системы в значительной степени увязывается с сохранением в тайне как особенностей конструкции, так и случаев ее компрометации. То, что система GSM от рождения несет в себе перечисленные порочные черты, является вполне естественным. Просто потому, что рождалась GSM в соответствующих исторических условиях и от вполне определенных родителей.

Что такое защита GSM и как она создавалась

В принципе, по своему замыслу, цифровая система GSM вполне могла бы быть чрезвычайно защищенной. В основе ее лежит свод документов под названием "Меморандум о понимании стандарта GSM" или MoU Groupe Special Mobile standard. Этот Меморандум был подготовлен на излете Холодной войны по инициативе ведущих телекоммуникационных компаний Западной Европы. Разрабатывал техническую документацию GSM Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ETSI), а в создании схемы безопасности, в целом призванной защитить новую систему от перехвата, прослушивания и мошенничества, активное участие приняли спецслужбы стран НАТО. [KB93]

Основу системы безопасности GSM составляют три секретных алгоритма (вплоть до конца 2003 г. официально так и не раскрытые, сообщаемые лишь тем, кому это требуется по необходимости - поставщикам оборудования, операторам связи и т.д.):

- А3 - алгоритм аутентификации, защищающий телефон от клонирования;

- А8 - алгоритм генерации криптоключа, по сути дела, однонаправленная функция, которая берет фрагмент выхода от A3 и превращает его в сеансовый ключ для A5;

- A5 - собственно алгоритм шифрования оцифрованной речи для обеспечения конфиденциальности переговоров. В GSM используются две основные разновидности алгоритма: A5/1 - "сильная" версия шифра для избранных стран и A5/2 - ослабленная для всех остальных. (В 2000-е годы для следующего поколения мобильной связи, G3, создан совершенно новый криптоалгоритм, получивший название A5/3. Еще имеется вариант A5/0 - это когда режим шифрования вроде как включен, но в действительности его нет, поскольку вместо битов ключа используются одни нули.)

Мобильные станции (телефоны) снабжены смарт-картой (SIM), содержащей A3 и A8, а в самом телефоне имеется чип с алгоритмом A5. Базовые станции также снабжены чипом с A5 и "центром аутентификации", использующим алгоритмы A3-A8 для идентификации мобильного абонента и генерации сеансового ключа шифрования.

Вся эта архитектура при надлежащем исполнении и качественных алгоритмах призвана гарантировать надежную аутентификацию пользователя, обеспечивая защиту мобильных станций от клонирования и прочих методов мошенничества, а также качественное шифрование конфиденциальных переговоров. Собственно говоря, именно это и декларируется компаниями, успешно занимающимися разворачиванием GSM по всему миру и уже охватившими услугами удобной связи многие сотни миллионов человек на планете.

Но реальность такова, что спецслужбы, занятые защитой правительственной связи, одновременно вовлечены и в деятельность противоположного рода: перехват и дешифрование коммуникаций в разведывательных целях. По этой причине, как свидетельствуют очевидцы, вокруг степени защиты GSM бушевали немалые страсти, поскольку спецслужбы стран НАТО имели довольно разные точки зрения на этот счет. Германия настаивала на сильных алгоритмах, поскольку имела самую длинную границу с коммунистическим блоком, другие же страны склонялись к ослабленному варианту. В конце концов в качестве основы криптосхемы для A5 была избрана французская военная разработка. [RA94]

Первые утечки, первые тревоги

Как бы строго ни контролировались коммерческие секреты, понятно, что широкое распространение продукции рано или поздно приводит к утечкам информации. В GSM они стали появляться уже в начале 90-х годов. К 1994 году основные детали алгоритма A5 уже были известны. Во-первых, British Telecom передала всю техническую документацию Брэдфордскому университету, забыв заключить соглашение о неразглашении информации. Во-вторых, описание A5 появилось в материалах одной из конференций в Китае. Короче говоря, детали о конструкции алгоритма понемногу стали просачиваться в печать, и в конце концов кембриджские ученые М. Роу и Р. Андерсон опубликовали восстановленную по этим деталям примерную криптосхему в Интернете.

Представляет схема собой следующее. A5 реализует поточный шифр на основе трех линейных регистров сдвига с неравномерным движением. Такого рода схемы на языке специалистов именуются "криптографией военного уровня" и при верном выборе параметров способны обеспечивать очень высокую стойкость шифра. Однако, в А5 длины регистров выбраны очень короткими - 19, 22 и 23 бита. Начальное заполнение этих регистров в сумме и дает 64-битный сеансовый ключ шифрования в GSM. Уже одни эти укороченные длины регистров дают теоретическую возможность для хорошо известной криптографам лобовой атаки, когда перебирают заполнение двух первых регистров, восстанавливая содержимое третьего регистра по выходной шифрующей последовательности.

Регистры сдвига в схеме A5 имеют не только короткую длину, но и слабые прореженные полиномы обратной связи. Это дает шансы на успех еще одной атаке - корреляционному анализу, позволяющему вскрывать ключ по просачивающейся в выход информации о заполнении регистров. В июне 1994 года д-р Саймон Шеферд из Брэдфордского университета должен был представить на коллоквиуме IEE в Лондоне свой корреляционный способ вскрытия A5. Однако, в последний момент его выступление было запрещено спецслужбой GCHQ, Штаб-квартирой правительственной связи. Доклад был сделан лишь на закрытой секции и опубликован в засекреченном сборнике. [SS94]

Прошла еще пара лет, и до анализа A5 дошли руки у сербского криптографа д-ра Йована Голича, наиболее, вероятно, авторитетного в академических кругах специалиста по поточным шифрам [JG97]. С чисто теоретических позиций он описал атаку, позволяющую легко вскрывать начальные заполнения регистров всего по 64 битам шифрпоследовательности. (Справедливости ради надо, правда, отметить, что в реальности данная атака оказалась значительно более трудоемкой. Проведенный в стенах Microsoft эксперимент [PL98] действительно привел к вскрытию ключа, но понадобилось для этого около двух недель работы 32-узлового кластера машин PII-300. Практичной такую атаку никак не назовешь. Правда, и репутация у криптоэкспертов Microsoft, мягко говоря, не блестящая.) Но в той же работе Голича был описан и еще один метод, известный в криптоанализе под общим названием "балансировка время-память", позволяющий существенно сокращать время вскрытия за счет интенсивных предвычислений и хранения предварительных данных в памяти. Так, к примеру, можно было сократить количество опробований вариантов ключа всего до смешных 222 (вскрытие просто "влет"), но для этого требовались 64 терабайта дисковой памяти (что, понятное дело, тоже трудно назвать приемлемыми цифрами для практичной атаки). Но сама идея четко продемонстрировала метод постепенного выхода на реальное соотношение параметров.

А вскоре пошли и сигналы уже о действительном вскрытии защиты системы GSM.

Клонирование и перехват

В апреле 1998 г. группа компьютерных экспертов и криптографов из Калифорнии широко объявила и продемонстрировала, что ей удалось клонировать мобильный телефон стандарта GSM. Ранее всеми по умолчанию предполагалось, что цифровые сети GSM гораздо надежнее защищены от этой напасти, приносящей миллионные убытки сетям аналоговой сотовой телефонии. [SC98]

Возглавлял группу Марк Брисено (в Сети более известный как Лаки Грин), глава ассоциации SDA (Smartcard Developer Association), представляющей интересы разработчиков программного обеспечения для смарт-карт. Избрав своей целью определить степень стойкости GSM к попыткам клонирования, исследователи занялись обратной разработкой модуля SIM - той самой смарт-карты, что вставляется в сотовый телефон, содержит алгоритмы A3-A8 и однозначно идентифицирует абонента. В процессе подготовки к работам по вскрытию содержимого чипа, в руки к исследователям неисповедимыми путями попало описание "алгоритма COMP128" - наиболее широко распространенной практической реализации A3-A8 в SIM-модулях. Эта документация помогла быстрее и полностью восстановить всю необходимую информацию о схеме. После этого Брисено пригласил для ее анализа двух молодых, но уже известных криптоаналитиков, аспирантов Калифорнийского университета в Беркли Дэвида Вагнера и Иэна Голдберга. Тем понадобилось всего несколько часов, чтобы отыскать в схеме фатальные прорехи и разработать метод извлечения из смарт-карты секретного содержимого с помощью 219 опросов чипа (примерно 8 часов).

Представители консорциума GSM, как это принято, сразу же объявили полученные результаты "лабораторными" и не несущими реальной угрозы пользователям сотовой связи. По сути, угроза была представлена "нереальной" лишь на том основании, что в США обладание оборудованием для клонирования и публичная практическая демонстрация разработанной атаки являются противозаконными. Но уже очень скоро стали появляться сообщения о демонстрации клонирования телефонов GSM в странах с иным законодательством, в частности, в Германии. [СС98]

Затем, вместе с освоением новых способов атак - через анализ побочных каналов утечки информации - появились и намного более эффективные методы клонирования. Так, в 2002 г. группа криптографов исследовательского центра IBM продемонстрировала, что взламывать алгоритм COMP128 и клонировать SIM-карту можно меньше чем за минуту. [RR02]

Об имеющихся на рынке средствах перехвата и мониторинга GSM (сама возможность чего до неприличия долго отрицалась официальными представителями MoU) наиболее красноречиво рассказывают реальные объявления в Интернете. Чтобы не ходить далеко, достаточно процитировать текст веб-страницы одного из виртуальных магазинов, развернутых в России в конце 1990-х годов (вскоре, правда, сайт упрятали из общего доступа поглубже - по той же, в сущности, схеме, как это делают все солидные-официальные торговцы подобной аппаратурой):

Система профессионального тестирования и мониторинга GSM

Используя наше уникальное аппаратное и программное обеспечение, "Система ..." будет отслеживать звонки в границах выделенной области, оставаясь подключенной к соединению. Она будет выводить на дисплей управляющие команды, идущие на телефон и от телефона, отслеживать речевой канал (голос) и резервный канал (где проходят: SIM - номер модуля идентификации абонента, IMSI - международный идентификатор абонента мобильной связи, TMSI - временный идентификатор абонента, SAK- ключ аутентификации абонента, PIN - номер персональной идентификации и другая информация). Процесс декодирования и выполнения всех калькуляций занимает около 2,5 минут, так что длительность телефонного соединения, которое вы отслеживаете, должна быть по крайней мере такого же порядка, чтобы устройство мониторинга могло обработать и проверить всю информацию, включая соответствующие значения для программирования нового SIM [т.е. для клонирования GSM-телефона]. Программное и аппаратное обеспечение позволяют отслеживать конкретные номера телефонов. Можно создавать "файлы регистрации данных" (data log files) для последующего анализа, а аудиоинформацию можно записывать для контроля с помощью звукозаписывающего оборудования (в поставку не входит). В комплект поставки входит подробное Руководство и программное обеспечение для Windows или DOS. Данная система разработана для 900 Мгц GSM-сетей. Цена - 4500 долларов. Все заказы оплачиваются через Western Union или трансфером банк-банк.

Тотально ослабленная защита

В начале 1999 года в ассоциации SDA были полностью восстановлены и проверены на реальных тестовых векторах криптосхемы алгоритмов A5/1 и A5/2. Обратное восстановление A5/2 подтвердило уже имевшуюся информацию, что в этой схеме добавлен еще один короткий регистр длиной 17 бит, управляющий движением бит в остальных трех регистрах. Вагнеру и Голдбергу очень быстро удалось продемонстрировать, что в этих условиях для вскрытия системы достаточно лобовым перебором (сложность 216) отыскать заполнение управляющего регистра. Делается это всего по двум фреймам сеанса связи длиной по 114 бит (в системе GSM первые два фрейма шифрпоследовательности известны, поскольку шифруются одни нули). Другими словами, вскрытие такого шифра осуществляется буквально "на лету", за 15 миллисекунд работы рядового персонального компьютера. [DW99]

Подводя своего рода итог проделанному в Smartcard Developer Association исследованию, Лаки Грин следующим образом выразился о соотношения декларируемой и истинной безопасности проанализированной системы: "Мой опыт работы с GSM показывает, что разведывательные службы, стоящие как известно, за всеми криптоалгоритмами GSM, используют в своей работе весьма специфический подход. Разведслужбы компрометируют любой и каждый компонент криптосистемы, какой только можно скомпрометировать. Разведслужбы, имея такую возможность, ослабляют компонент просто потому, что могут это сделать, а не потому, что им это нужно. Это как бы извращенное воплощение в целом правильного принципа многократной избыточности". [LG99]

Это весьма сильное, прямо скажем, заявление Лаки Грин затем подтверждает на конкретных примерах выявленных в GSM слабостей, серьезным образом компрометирующих систему.

- Скомпрометирована эффективная длина сеансового ключа. В 64-битном ключе, который A8 генерирует для A5, последние 10 бит принудительно обнулены. Это совершенно умышленное ослабление системы примерно в 1000 раз.

- Скомпрометирована система аутентификации и алгоритм генерации секретного ключа. Известно, что о слабостях в COMP128, обнаруженных SDA в 1998 году, участники GSM MoU были официально уведомлены еще в 1989 году. То есть задолго до широкого распространения GSM. Имеющаяся в MoU "группа экспертов по алгоритмам безопасности" (SAGE), состоящая из никому неведомых людей, сохранила в тайне это открытие и не стала информировать о нем даже собственно членов MoU. В результате чего разведслужбы имеют возможность клонировать телефоны и вычислять секретные ключи абонентов непосредственно в ходе сеанса связи.

- Скомпрометирован сильный алгоритм шифрования A5/1. В этом шифре с 64-битным ключом имеются многочисленные конструктивные дефекты, приводящие к стойкости, не превышающей стойкость шифра с 40-битным ключом (другими словами, стойкость понижена на 6 порядков или в миллион раз). Непостижимо, каким образом столь очевидный дефект мог быть упущен французскими военными разработчиками.

- Скомпрометирован более слабый алгоритм шифрования A5/2. Хотя в MoU признают, что вскрываемость шифра и была целью разработки A5/2, тем не менее в официальных результатах анализа SAGE сказано, что им неизвестно ни о каких криптографических дефектах в A5/2.

Чтобы обеспечить перехват и дешифрование GSM-трафика, отмечает Лаки Грин, было бы достаточно скомпрометировать эффективную длину ключа. Было бы достаточно скомпрометировать алгоритм генерации ключа. Было бы достаточно скомпрометировать алгоритм шифрования. Но спецслужбы сделали все три эти вещи. Такое можно назвать лишь "хорошо продуманной гарантированно избыточной компрометацией".

И, наконец, еще один очень существенный нюанс. Все шифрование разговоров в системе GSM осуществляется только на канале между мобильным телефоном и базовой станцией, то есть в "эфирной" части передачи. При наличии санкции суда на прослушивание звонков правоохранительные органы всегда имеют возможность подключиться непосредственно к базовым станциям, где уже нет никакого шифрования. Так что единственной причиной для тотального ослабления криптозащиты оказывается "нелегальный" доступ без каких бы то ни было ордеров и санкций.

Вскрытие A5/1

Вскоре, в декабре 1999 г., под натиском университетских криптографов пал, можно считать, и самый сильный элемент в защите GSM - алгоритм шифрования A5/1. Израильские математики Ади Шамир и Алекс Бирюков (чуть позже к ним присоединился американец Дэвид Вагнер) опубликовали работу, в которой описан созданный ими весьма нетривиальный, но по теоретическим расчетам весьма эффективный метод вскрытия A5/1.

Ади Шамира вполне заслуженно называют "патриархом израильской академической криптографии". Еще в 1977 году, работая в США совместно с Рональдом Райвестом и Леонардом Адлеманом, Шамир участвовал в создании знаменитой криптосхемы с открытым ключом RSA (здесь "S" - это Shamir). В 80-е годы им разработано несколько криптографических протоколов и криптосхем. На рубеже 1980-1990-х, работая совместно с Эли Бихамом, Шамир создал метод дифференциального криптоанализа, в открытом академическом сообществе ставший основой практически всех современных методов исследования и вскрытия блочных шифров (подобные работы спецслужб ведутся в строжайшем секрете). Совместный же с Бирюковым криптоанализ A5/1 стал, похоже, первым обращением Шамира к исследованию поточных шифров на основе регистров сдвига - класса схем, более характерных для военной, а не коммерческой криптографии.

Характеризуя изобретенный метод вскрытия А5, Шамир выразился так: "Это весьма сложная идея, реализуя которую мы наступаем на многих фронтах, чтобы накопить несколько небольших преимуществ, но сложенные все вместе они дают большой выигрыш". Если чуть более подробно, то новый метод атаки использует тонкие слабости в структуре регистров сдвига, необратимый механизм их движения, а также частые перезагрузки регистров, применяемые в GSM. Развивая потенциал балансировки "время-память", ученые создали два родственных вида атак, реализуемых на персональном компьютере с увеличенным объемом внешней памяти. Для успеха первой атаки требуется выходная последовательность алгоритма A5/1 в течение первых двух минут разговора - тогда ключ вычисляется всего за секунду (но в реальных условиях получить для анализа эти две минуты крайне проблематично). Вторая атака требует выход A5/1 всего за две секунды, но на вычисление ключа тогда затрачивается несколько больше времени - несколько минут. Все расчеты были подтверждены реальными вычислительными экспериментами. Попутно следует отметить, что факт реальной длины ключа не в 64, а лишь в 54 бита криптографами не использовался.

Теперь будем делать по-другому?

К началу 2000-х годов уже почти все эксперты в области защиты информации (спецслужбы, как обычно, воздерживаются от комментариев) сошлись во мнении, что разработка мер безопасности для широко используемых систем в тайне от общественности - это в корне порочный путь. Единственный способ гарантировать надежную безопасность - это честно дать возможность проанализировать систему защиты всему сообществу специалистов.

Поначалу создалось впечатление, что данную истину (хотя бы отчасти) признали и в консорциуме GSM. Процитированный в самом начале главы Джеймс Моран, ведающий безопасностью GSM, прокомментировал вскрытие всех криптоалгоритмов системы так: "Когда эти шифры разрабатывались в 1989 году, широкая публикация алгоритмов не была распространенным подходом. Однако, создаваемые ныне алгоритмы будут опубликованы для предварительного их изучения". [DM99]

Летом 2002 года, когда появилось широко анонсированное известие о введении в систему GSM нового криптоалгоритма A5/3, могло показаться, что обещания открытого процесса обсуждения действительно выполняются [NR02]. Про этот реально качественный алгоритм сообществу криптографов академии и индустрии было известно практически все - фактически, это алгоритм Kasumi, созданный рабочей группой 3GPP (3rd Generation Partnership Project) для сетей мобильной связи следующего, третьего поколения. Шифр Kasumi, в свою очередь, построен на основе сильного, еще в 1990-е годы всесторонне исследованного криптоалгоритма MISTY известного японского криптографа Мицуро Мацуи...

Но на этом вся открытость, похоже, и закончилась. Более продвинутая версия системы GSM, именуемая GPRS и обеспечивающая постоянное подключение мобильного телефона к Интернету, имеет в своем арсенале новое семейство криптоалгоритмов под общим названием GEA. Про конструкцию этих шифров, по сути дела, известно лишь то, что они не имеют никакого отношения к алгоритмам A5/1 и A5/2. Да еще изменен порядок классификации: GEA0 - никакого шифрования (одни нули), GEA1 - экспортный (ослабленный) вариант, GEA2 - обычная стойкость, GEA3 - фактически, тот же вариант, что A5/3. Про стойкость GEA1 и GEA2 неизвестно ничего, поскольку по состоянию на конец 2003 года никто их в открытом сообществе криптографов не видел. [GR03]

Тот же принцип сокрытия информации консорциум GSM сохранил и в отношении новых версий алгоритма COMP128 (практической реализации A3-A8 в SIM-модулях). Известно лишь то, что имеются две версии секретного алгоритма под названиями COMP128-2 и COMP128-3, призванные решить проблемы, выявленные в первой, вскрытой версии. В частности, COMP128-3 уже не делает принудительное обнуление 10 битов в сеансовом ключе. [FQ03]

Так что в целом, как можно видеть, ситуация с "безопасностью по-страусиному" практически не изменилась.

Тяжелое наследие

В период с 2000 по середину 2003 года сколь-нибудь серьезных происшествий в области дальнейшей компрометации GSM более не происходило. Точнее, кое-что, конечно, случалось - вспомним, например, "моментальное" клонирование SIM-карты в IBM - но в прессу и широкое публичное обсуждение эти новости уже не просачивались, оставаясь в материалах и кулуарах научных конференций. Однако к лету 2003 года группа израильских криптографов из института Technion - Элад Баркан, Эли Бихам и Натан Келлер - отыскала серьезнейшую, неведомую прежде слабость в системе защиты GSM. В подготовленной авторами работе, "Мгновенное вскрытие защищенных коммуникаций GSM только по шифртексту" [BB03], было показано, что эту брешь можно весьма эффективно эксплуатировать для проведения реальных атак самого разного рода - от прослушивания открытых и шифрованных разговоров до подделки SMS (коротких текстовых сообщений) или динамического клонирования телефонов жертв, т.е. звонков якобы с номера жертвы.