Гигабайты власти: информационные технологии между свободой и тоталитаризмом

На примере самого распространенного блочного шифра DES эти авторы продемонстрировали, что в рамках той же "беллкоровской" модели сбоя в работе аппаратуры можно "вытащить" полный ключ DES из защищенной смарт-карты путем анализа менее 200 блоков шифртекста (блок DES - 8 байт). Более того, впоследствии появился еще ряд работ Бихама-Шамира с описанием методов извлечения ключа из смарт-карты в условиях, когда о реализованной внутри криптосхеме не известно практически ничего. [BS97]

Наиболее часто критика в адрес ДАИ, особенно со стороны выпускающих смарт-карты фирм, сводилась к тому, что вся эта методика носит сугубо теоретический характер. Ведь никто, дескать, не продемонстрировал на практике, что сбойные ошибки можно вызывать именно в криптосхеме, причем конкретно в алгоритме разворачивания ключа...

Но уже весной 1997 года появилось описание не теоретической, а весьма практичной атаки, получившей название "усовершенствованный метод ДАИ". Авторы атаки, уже упоминавшиеся кембриджский профессор Росс Андерсон и его (в те времена) аспирант из Германии Маркус Кун, продемонстрировали, что могут извлекать ключ из смарт-карты менее чем по 10 блокам шифртекста. В основу нового метода была положена модель принудительных искажений или "глич-атак" (от английского glitch - всплеск, выброс), реально практикуемых кракерами при вскрытии смарт-карт платного телевидения. Под глич-атаками понимаются манипуляции с тактовой частотой или напряжением питания смарт-карт, что позволяет выдавать дампы с ключевым материалом на порт выхода устройства. Эффективность глич-атак продемонстрирована кембриджскими авторами как на симметричных криптосхемах, так и на вскрытии алгоритмов с открытым ключом. [AK97]

Анализ побочных каналов утечки

Летом 1998 г. пришло известие еще об одном методе вскрытия смарт-карт, также более чем успешно реализованном на практике. Совсем небольшая, состоящая из 4 человек консалтинговая криптофирма Cryptography Research из Сан-Франциско разработала чрезвычайно эффективный аналитический инструментарий для извлечения секретных ключей из криптографических устройств. По словам главы фирмы Пола Кочера, которому в ту пору было 25 лет, исследователям "не удалось найти ни одной карты, которую нельзя было бы вскрыть".

Кочер, надо отметить, по образованию биолог, а хакерством занимался с детства как хобби. Не исключено, что именно биологическое образование помогло ему выработать собственный стиль анализа "черных ящиков", относясь к ним как к живым организмам и внимательно исследуя все доступные признаки их "жизнедеятельности". В традиционном анализе криптоустройств и защищенных протоколов принято предполагать, что входное и выходное сообщения доступны злоумышленнику, а какая-либо информация о хранимых внутри данных (криптоключах, например) ему неизвестна. Однако, любое электронное устройство состоит из конкретных элементов, выдающих в окружающую среду информацию о своей работе. А значит на самом деле атакующей стороне может быть доступна и всевозможная побочная информация, выдаваемая криптоустройством: электромагнитное излучение, сигналы об ошибках или об интервалах времени между выполняемыми инструкциями, колебания в потреблении электропитания и другие данные.

Вообще говоря, все это очень хорошо известно военным и спецслужбам, где разработаны специальные методы работы с побочными каналами утечки информации, но тема эта - под кодовым наименованием Tempest - строго засекречена и открытых публикаций о ней очень мало (подробнее см. раздел "Мужчины с ошеломительным оснащением").

Кочер и его коллеги, можно сказать, переизобрели секретные методы спецслужб и научились вскрывать защиту смарт-карт с помощью привлечения аппарата математической статистики и алгебраических методов исправления ошибок для анализа флуктуаций в потреблении чипом электропитания. Делалось это примерно в течение полутора лет с 1996 по 1998 год, когда специалисты Cryptography Research занимались задачей о том, каким образом можно было бы повысить стойкость портативных криптографических жетонов, включая смарт-карты. Не предавая свои исследования широкой огласке, они знакомили сообщество производителей смарт-карт с разработанными в фирме видами атак, получившими названия ПАП (простой анализ питания) и ДАП (дифференциальный анализ питания, или DPA). [KJ99]

Вполне очевидно, что данные методы анализа заслуживают самого серьезного внимания, поскольку атаки такого рода можно проводить быстро и используя уже готовое оборудование ценой от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов. Базовые же концепции новой методики вскрытия сформулированы в более ранней и достаточно известной работе Пола Кочера "Криптоанализ на основе таймерной атаки" [PK96] где было продемонстрировано, что можно вскрывать криптоустройства, просто точно замеряя интервалы времени, которые тем требуются на обработку данных.

Что же касается ПАП-атак, то здесь аналитик непосредственно наблюдает за динамикой потребления энергии системой. Количество расходуемой энергии изменяется в зависимости от выполняемой микропроцессором инструкции, а для точного отслеживания флуктуаций в потреблении питания можно использовать чувствительный амперметр. Так выявляются большие блоки инструкций - циклы DES, операции RSA и т.д., - поскольку эти операции, выполняемые процессором, имеют внутри себя существенно различающиеся по виду фрагменты. При более сильном усилении удается выделять и отдельные инструкции. В то время как ПАП-атаки главным образом строятся на визуальном анализе с целью выделения значимых флуктуаций питания, значительно более эффективный метод ДАП построен на статистическом анализе и технологиях исправления ошибок для выделения информации, имеющей корреляции с секретными ключами.

Кое-что новое

В июне 2002 г. был обнародован еще один метод вскрытия смарт-карт и защищенных микроконтроллеров, получивший название "атака оптическим индуцированием сбоев" (optical fault induction attack). Этот класс атак был обнаружен и исследован в Кембриджском университете русским аспирантом Сергеем Скоробогатовым и его руководителем Россом Андерсоном. Суть метода в том, что сфокусированное освещение конкретного транзистора в электронной схеме стимулирует в нем проводимость, чем вызывается кратковременный сбой. Такого рода атаки оказываются довольно дешевыми и практичными, для них не требуется сложного и дорогого лазерного оборудования.

Например, сами кембриджские исследователи в качестве мощного источника света использовали фотовспышку, купленную в магазине подержанных товаров за 20 фунтов стерлингов. Для иллюстрации мощи новой атаки была разработана методика, позволяющая с помощью вспышки и микроскопа выставлять в нужное значение (0 или 1) любой бит в SRAM-памяти микроконтроллера. Методом "оптического зондирования" (optical probing) можно индуцировать сбои в работе криптографических алгоритмов или протоколов, а также вносить искажения в поток управляющих команд процессора. Понятно, что перечисленные возможности существенно расширяют уже известные "сбойные" методы вскрытия криптосхем и извлечения секретной информации из смарт-карт. [SA02]

Индустрия, как обычно, пытается всячески принизить значимость нового метода вскрытия, поскольку он относится к классу разрушающих атак, сопровождающихся повреждением защитного слоя в чипе смарт-карты. Однако, по свидетельству Андерсона, злоумышленники могут обойтись и минимальным физическим вмешательством: кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне, поэтому атаку можно проводить прямо через кремниевую подложку с задней стороны чипа, сняв лишь пластик. Используя же рентгеновское излучение, карту и вовсе можно оставить нетронутой.

Этими же специалистами из Кембриджа совместно с учеными компьютерной лаборатории Лувенского университета (Бельгия) недавно разработаны еще несколько новых методов считывания информации из защищенных чипов смарт-карт. Общим для данных методов является то, что они индуцируют поддающиеся замерам изменения в аналоговых характеристиках ячеек памяти. Например, сканируя ячейки сфокусированным лазером или наводя в них вихревые токи с помощью индуктивной спирали на игле микропробника, можно повысить электромагнитные утечки, выдающие записанное там значение бита, но при этом само это значение сохраняется в ячейке ненарушенным. Сильным охлаждением чипа в нужный момент времени можно "заморозить" содержимое интересующего регистра и считать из него (ключевую) информацию, обычно хранящуюся или передаваемую в зашифрованном виде. Эта технология применима к самым разным типам памяти от RAM до FLASH и реально продемонстрирована считыванием ключей DES из ячеек RAM без какого-либо физического контакта с чипом. [SQ02]

Данная работа проведена учеными по заказу проекта Евросоюза G3Card и ставит перед собой цель создания смарт-карт следующего поколения, способных максимально противостоять современным атакам вплоть до "полуразрушающих". Создание абсолютной защиты, естественно, не является реалистичным для реально применяемых устройств, одно из главных достоинств которых - дешевизна.

Наглядно и убедительно, но - для своих

Арсенал средств защиты смарт-карт на сегодняшний день весьма разнообразен. Разрушающим методам вскрытия могут противостоять емкостные датчики или оптические сенсоры под светонепроницаемой оболочкой (что кракеры давно научились обходить), либо "специальный клей" - особое покрытие для чипов, которое не только непрозрачно и обладает проводимостью, но также надежно противостоит попыткам уничтожить его, обычно разрушая кремниевый слой, находящийся под ним. Такие покрытия относятся к федеральному стандарту США FIPS 140-1 и широко используются в американской военной промышленности, но повсеместно распространенными в быту их назвать нельзя.

Ряд недорогих и эффективных методов противодействия методам ДАП и ДАИ известен по разработкам Cryptography Research. В частности, созданы особые аппаратные и программные методы, обеспечивающие значительно меньший уровень утечек компрометирующей информации, внесение шума в измерения, декоррелирование (разделение взаимозависимостей) внутренних переменных и секретных параметров, а также декоррелирование по времени криптографических операций. Значительный ряд новых методов защиты предложен компьютерными лабораториями Лувена и Кембриджа. (http://www.dice.ucl.ac.be/crypto; http://www.cl.cam.ac.uk/ Research/Security/tamper/

Разработкой мер защиты смарт-карт от вскрытия, конечно же, занимаются не только в университетах или маленьких фирмах вроде Cryptography Research Пола Кочера или Advanced Digital Security Research Оливера Кеммерлинга. Большая работа ведется и непосредственно в смарт-карточной индустрии, где, правда, предпочитают эту деликатную тему публично не обсуждать. Но иногда кое-какая информация все же просачивается. Так, на криптографической выставке-конференции RSA-2002 интереснейшая экспозиция была устроена компанией Datacard Group, специализирующейся на разработке смарт-карт. На своем выставочном стенде сотрудники фирмы развернули некий "полевой вариант" небольшой электронной лаборатории. Буквально на глазах изумленной публики демонстрировалось вскрытие смарт-карт с помощью описанных выше методов ДАП и ДАИ. Оборудования для этих работ требовалось совсем немного - осциллограф, компьютер да несколько "специальных коробочек".

Для зрителей процесс вскрытия смарт-карты выглядел примерно так: "Сейчас вы видите на экране осциллографа последовательность вертикальных всплесков. Это циклы DES-алгоритма, шифрующего информацию в чипе карты. Давайте увеличим разрешение картинки. Внутри цикла вы видите пики характерной формы - это S-боксы, преобразующие нужный нам ключ. Давайте запустим программу вскрытия, которая по особенностям этих сигналов отыскивает биты секретной информации, и вот через минуту или две мы получаем ключ на выходе программы".

Значительно более стойкий криптоалгоритм Triple-DES вскрывался аналогично, но примерно раза в 3 раза больше по времени. Те же самые несколько минут уходили у аналитиков Datacard на отыскание пары больших простых чисел, образующих ключ в алгоритме RSA. Для этого не использовались, ясное дело, ужасно трудоемкие методы факторизации (разложения числа на множители), а "просто" внимательно анализировались реакции чипа смарт-карты на небольшие варьирования в напряжении и частоте при подаче питания...

Самый эффектный, пожалуй, трюк - это извлечение информации из бесконтактных смарт-карт, когда вскрытие устройства и считывание секретного ключа делается с помощью специального радиочастотного интерфейса - дистанционно и абсолютно незаметно для владельца. [CP02]

Одно дело читать обо всех этих методах в абстрактных исследовательских статьях и совсем другое - увидеть, как данная кухня функционирует реально. По свидетельству специалистов, открывающаяся картина действительно впечатляет. И заставляет очень серьезно переосмыслить реальную безопасность технологии.

Возня в подполье, война на небесах
В начале 2002 г. властями Гонконга принято решение о том, что начиная с 11-летнего возраста все жители этого особого региона Китая должны иметь идентификационную смарт-карту, содержащую фотографию, имя, пол, дату рождения, статус проживания и биометрическую информацию об отпечатках больших пальцев обеих рук. В принципе, жителям Гонконга к паспортам не привыкать, поскольку их ввели еще в 1949 году, когда из завоеванного Мао Цзэдуном Китая в эту британскую колонию хлынул поток мигрантов, не испытывавших энтузиазма в отношении коммунистов. Тогда-то властям и понадобилось срочно разделить народ на "местных" и "приезжих". Уже несколько лет, как Гонконг вновь стал частью Китая, однако особый экономический статус, отдельное управление и жесткий контроль за иммиграцией лишь упрочили паспортную систему.

Введение смарт-карт с биометрической информацией в качестве идентификационных документов набирает масштабы во многих технологически продвинутых странах мира, от Финляндии и Италии до Малайзии и Японии. Но попутно растут опасения, что технологии компьютерной идентификации делают слишком простыми злоупотребления как на почве хищения личности, так и тотальной слежки за гражданами. Для Гонконга это особо актуально, потому что, как хорошо известно, именно здесь сосредоточено значительное количество квалифицированных кракеров, специализирующихся на взломе смарт-карт, используемых в системах платного телевидения, электронных платежей и прочих коммерческих приложениях.

Новые электронные карточки-паспорта гонконгцев предназначены, среди прочего, и для ускоренного прохождения пограничного контроля. Через автоматические "киоски самообслуживания" это можно делать в обход чиновников и традиционно длинных очередей прибывающих или отъезжающих. Для работы подобных киосков не предусмотрено централизованной базы данных с отпечатками пальцев всех граждан (поскольку подобные базы признаны слишком уязвимыми для посягательств злоумышленников), так что здесь происходит лишь сличение отпечатка пальца владельца карты с кодом, хранящимся в памяти микросхемы. Все эти обстоятельства порождают благодатную почву для зарождения нелегального рынка идентификационных смарт-карт. Принимая в учет реальность подобной угрозы, власти Гонконга на всякий случай исключили из карточек-паспортов планировавшиеся поначалу функции водительских прав и библиотечных удостоверений. По всей видимости, дабы не стимулировать собственными руками рост черного рынка фальшивых паспортов. [HK02]

Хайтек-паспорта на основе смарт-карт - дело пока что довольно новое, поэтому по состоянию на конец 2003 г. в прессе и Интернете еще не появлялось сколь-нибудь достоверной информации о масштабах и степени серьезности злоупотреблений в этой области. Зато о другой, технологически весьма близкой сфере - взломе систем спутникового платного телевидения - публикаций более чем достаточно.

Как это работает

Количество одних лишь легальных подписчиков систем спутникового ТВ перевалило уже за сотню миллионов. Разнообразные, спонтанно рождавшиеся с 1970-х годов технологии защиты сигнала постепенно сходятся и ныне, во многом благодаря смарт-картам, уже почти обрели единый комплекс стандартов, обеспечивающих беспроблемную работу аппаратуры в разных частях планеты и в условиях разных кодировок.

Что, в самых общих чертах, представляет собой современная система платного спутникового ТВ? С точки зрения ТВ-компании и обычного легального подписчика, самое главное в этой системе - карта доступа, т.е. смарт-карта, приобретаемая вместе с ТВ-аппаратурой спутникового приема либо отдельно (если комплект из антенны-тарелки и приемника-ресивера уже имеется). Карта доступа размером примерно со стандартную кредитку вставляется в слот ресивера и представляет собой полноценный микрокомпьютер с процессором, встроенным программным обеспечением и памятью. Программное обеспечение, прошитое в смарт-карту, управляет приемом и декодированием пакета каналов той компании, что выпустила карту доступа. После установки оборудования абонент выбирает интересующий его набор каналов, делает их оплату и каким-либо образом - обычно по телефону - связывает ресивер/карту с ТВ-компанией. Происходит активизация смарт-карты, открытие доступа к оплаченным каналам и, достаточно часто, привязка к конкретному приемному оборудованию (как мера против клонирования карт).

Одна из характерных черт платного ТВ - это весьма большое количество разнообразных систем шифрования, применяемых вещательными компаниями в тысячах спутниковых каналов. Изготовителям же приемного оборудования - цифровых медиа-терминалов - по всему миру пришлось столкнуться с серьезной проблемой несовместимости схем управления доступом к платным каналам. Решена эта задача с помощью устройства-декодера CAM (Conditional Access Module, "модуль условного доступа"). Именно в CAM в качестве ключа вставляется смарт-карта, обеспечивающая доступ к пакету каналов.

Принимая спутниковый сигнал, САМ-модуль транслирует карте всю служебную информацию, идущую в канале параллельно видеосигналу (примерно как телетекст). На закрытых каналах в этой информации есть, среди прочего, и схема восстановления (криптопараметры) телесигнала. Эти криптопараметры зашифрованы и именно для их расшифровки в смарт-карте есть ключи. Получив от САМ-модуля эту информацию, карта ее расшифровывает собственным процессором и возвращает назад. А САМ-модуль, который часто называют декодером, с помощью этой расшифрованной схемы восстанавливает телесигнал (у смарт-карты для самостоятельного расшифрования видеоизображения недостаточно вычислительной мощности). Криптопараметры сигнала изменяются каждые 10-15 секунд, но зашифрованы они одним ключом, который хранится в смарт-карте и меняется значительно реже. Впрочем, "реже", понятие относительное и может подразумевать срок от нескольких недель до нескольких часов, в зависимости от конкретной телекомпании.

Поскольку современная смарт-карта - сама по себе небольшой компьютер, то компания-вещатель имеет возможность передавать через спутник по служебному каналу управляющие команды конкретно для карты, что называется "управление через эфир" или OTA (Over-The-Air). Так можно загружать в карту новые ключи или давать команду на их самостоятельное внутреннее обновление (в зависимости от конкретной технологии). Кроме того, через эфир для телекомпании очень удобно включать-выключать конкретные карточки задолжавших подписчиков, поскольку каждая смарт-карта имеет уникальный номер-адрес.

Если смотреть на технологию с точки зрения пиратов, то самый очевидный способ нелегального просмотра защищенных ТВ-каналов - клонировать легальную карту. Для этого на специальном оборудовании, иногда весьма дорогом, изготовляется ее полный аналог, неотличимый по функциональным возможностям от оригинала. Работать такой клон будет до тех пор, пока работает оригинал. Чем-то это напоминает печатание фальшивых денег, только технически проще и окупается быстрее. Среди других способов в настоящее время у большинства пиратов наиболее популярна разного рода эмуляция фирменных смарт-карт. Чаще всего это бывают либо так называемые DPSC-карты (digital pirate smart card - цифровая пиратская смарт карта, целенаправленно изготовленная для нелегального просмотра), либо MOSC-карты (modified original smart card - модифицированная оригинальная смарт карта, изначально выпущенная для официальной подписки, но затем модифицированная соответствующим образом для просмотра шифрованных каналов без оплаты).

Контрмеры на примере

Конкретные формы пиратской деятельности и борьбы компаний платного ТВ с нелегальным просмотром имеет смысл рассмотреть на примере американской DirecTV - крупнейшей в мире фирмы спутникового ТВ с числом подписчиков порядка 15 миллионов.

Под электронными контрмерами или ECM (Electronic Counter Measure), вообще говоря, принято понимать любые мероприятия, дистанционно проводимые ТВ-компаниями для препятствования пиратской деятельности. Обычно под этим понимается внеплановая или просто учащенная смена криптографических ключей. Однако в последнее время под ECM стали понимать нечто значительно более существенное - модификацию схемы устройства.

В двадцатых числах января 2001 г. сразу несколько крупных компаний спутникового телевидения - американские DirecTV и Echostar Dish Network, а также испанская Canal Satelite Digital - практически одновременно нанесли массированные "удары возмездия" по пиратским ресиверам и смарт-картам, обеспечивающим бесплатный просмотр. При этом были использованы электронные контрмеры по активному воздействию на аппаратуру, что обычно принято рассматривать как сугубо военное "информационное оружие". [KP01]

Наиболее эффективные контрмеры были продемонстрированы компанией DirecTV. В соответствии с устоявшейся в отрасли технологией, здесь каждая смарт-карта доступа (разработка британской фирмы NDS) запрограммирована собственным кодом, который идентифицирует легального абонента и позволяет ему смотреть только те каналы из спутникового цифрового сигнала DirecTV, которые оплачены. Все остальные каналы остаются зашифрованными и в теории считаются недоступными для просмотра. Однако, буквально с самых первых месяцев вещания DirecTV в 1994 г., кракерским сообществом была развернута деятельность по обеспечению пиратского просмотра телеканалов безо всякой абонентской платы. Особую популярность весьма прибыльный бизнес по продаже пиратских карт и "серых" ресиверов приобрел в Канаде, где у DirecTV нет лицензии на вещание и где продажа кракнутых карт вплоть до 2002 года не являлась преступлением.

В DirecTV, естественно, постоянно работают над укреплением защиты своей системы. Однако в течение 2000-2001 года кракерским подпольем были взломаны криптосхемы практически всех популярных систем защиты спутникового вещания, и в конце 2000 г. многим уже казалось, что DirecTV в этой нескончаемой игре в кошки-мышки начала безнадежно проигрывать. Пиратам удалось полностью дешифровать весь сигнал DirecTV, включая самые дорогие каналы с оплатой за каждый просмотр и трансляцией новейших кинофильмов-хитов. Однако в начале 2001 года по пиратским картам был нанесен удар такой силы, что стало ясно - вопрос о победителях в данном противостоянии еще весьма далек от разрешения.

Главным объектом январской ECM-атаки DirecTV стали так называемые Н-карты (типа MOSC), пользовавшиеся у пиратов наибольшей популярностью вследствие своих конструктивных особенностей. Н-карты продавались в комплекте с ресиверами с 1996 до начала 1999 года. Это была одна из исходных смарт-карт, имевшая в своей защите ряд слабостей, которые позволили кракерам провести обратную инженерную разработку микрочипа, а затем научиться самим его перепрограммировать. Это позволило так изменять модель абонентской подписки, чтобы становилось возможным открывать все каналы сразу.

Но в телекомпаниях ныне тоже работают свои хакеры, которые встроили в систему механизм, позволяющий обновлять содержимое смарт-карт с помощью команд в транслируемом спутниковом сигнале. Этот механизм обновлений в DirecTV стали применять для поиска и уничтожения "кракнутых" карт, записывая в микрочип такие коды, которые нарушали работу лишь пиратских продуктов. По сути дела, нелегальные смарт-карты запирались в состоянии бесконечного цикла. Пиратское сообщество ответило на этот ход новым устройством, получившим название unlooper (специальный программатор-" расцикловщик" для восстановления поврежденных карт). Затем кракеры разработали программу-троянца, которая записывалась в смарт-карту и эффективно блокировала возможности ресивера по обновлению содержимого карты. В такой ситуации DirecTV оставалось лишь рассылать свои обновления с повышенной частотой, одновременно проверяя, чтобы обновление непременно присутствовало в ресивере. Лишь на этом условии видеосигнал поддавался декодированию. Обновления стали проходить практически каждый месяц. После каждого такого апдейта, спустя примерно минут 15, пираты изготовляли и распространяли через Интернет программную заплатку, обходящую новую помеху.