应用安全四十四：Side Channel

2023-12-31 11:34:40

第一章、什么是Side Channel？

Side Channel?Attack（又称侧信道攻击，简称SCA）是一种通过加密软件或硬件运行时产生的各种泄漏信息获取密文信息的攻击方式。在狭义上，它特指针对密码算法的非侵入式攻击，通过加密电子设备在运行过程中的边信道信息泄露破解密码算法，主要包括计时攻击、能量分析攻击、电磁分析攻击等。在广义上，任何针对安全设备的侵入式、半侵入式、非侵入式攻击等“旁门左道”的攻击方法都属于边信道攻击的范畴。这种攻击的有效性远高于密码分析的数学方法，因此给密码设备带来了严重的威胁。

边信道攻击（side-channel attack）是一种基于计算机协议或算法实现方式的额外信息攻击 1。这种攻击不是基于协议或算法设计本身的缺陷（例如，密码算法的密码分析中发现的缺陷），也不是实现中的小错误或疏忽，而是基于计算机协议或算法实现方式的本质方式。例如，计时信息、功耗、电磁泄漏和声音等都是可以被利用的额外信息，以便进行边信道攻击。一些边信道攻击需要对系统的内部操作具有技术知识，而其他攻击则像差分功耗分析一样有效。如果您想了解更多关于边信道攻击的信息，可以查看这篇维基百科文章?https://en.wikipedia.org/wiki/Side-channel_attack。

第二章、典型的Side Channel的类型？

典型的Side Channel攻击类型包括：

时序攻击（Timing Attacks）：这种攻击方式是通过分析加密设备运行时的时序信息来获取密文信息。
简单功耗分析攻击（Simple Power Analysis，SPA）和差分功耗分析攻击（Differential Power Analysis，DPA）：这两种攻击方式都是通过分析加密设备运行时的功耗信息来获取密文信息。其中，简单功耗分析攻击直接分析采集到的能量消耗与设备所执行指令之间的依赖关系，而差分功耗分析攻击则通过计算差值，比较用电功耗来分析猜测密钥的合理性。
错误攻击（Fault Attack）：这种攻击方式是通过制造运行错误来获取密文信息。

边信道攻击（side-channel attack）是一种基于计算机协议或算法实现方式的额外信息攻击 1. 这种攻击不是基于协议或算法设计本身的缺陷，也不是实现中的小错误或疏忽，而是基于计算机协议或算法实现方式的本质方式。例如，计时信息、功耗、电磁泄漏和声音等都是可以被利用的额外信息，以便进行边信道攻击。一些边信道攻击需要对系统的内部操作具有技术知识，而其他攻击则像差分功耗分析一样有效。

常见的编码层面的边信道攻击类型包括但不限于以下几种：

计时攻击：通过测量计算机处理某些操作所需的时间来推断密钥或密码等敏感信息。
功耗攻击：通过测量计算机在处理某些操作时的功耗变化来推断密钥或密码等敏感信息。
电磁攻击：通过测量计算机在处理某些操作时的电磁泄漏来推断密钥或密码等敏感信息。
声音攻击：通过测量计算机在处理某些操作时产生的声音来推断密钥或密码等敏感信息。

一个时序攻击的例子：

以下是一个简单的代码实例，演示了如何对一个加密算法进行时序攻击，从而获取密钥信息。请注意，这个实例仅用于演示目的，并不应该被用于实际攻击。

假设我们有一个简单的加密算法，该算法使用一个密钥k对明文进行异或操作得到密文。我们的目标是获取密钥k的值。

首先，我们可以编写一个函数来执行加密算法：
?

python


def encrypt(plaintext, key):  

    ciphertext = ""  

    for i in range(len(plaintext)):  

        ciphertext += chr(ord(plaintext[i]) ^ key[i % len(key)])  


    return ciphertext

然后，我们可以编写一个函数来进行时序攻击。该函数接受加密算法的输出作为输入，并返回可能的密钥值：

python


import time  

  

def timing_attack(ciphertext):  

    key_length = len(ciphertext) // 4 # 假设密钥长度为密文长度的四分之一  

    key = [0] * key_length  

    for i in range(key_length):  

        start_time = time.time()  

        for guess in range(256):  

            decrypted = ""  

            for j in range(len(ciphertext)):  

                decrypted += chr(ord(ciphertext[j]) ^ guess)  

            # 检查解密后的明文是否符合某些条件（例如，ASCII码都在可打印范围内）  

            if all(ord(c) >= 32 and ord(c) <= 126 for c in decrypted):  

                end_time = time.time()  

                if end_time - start_time > 0.1: # 如果解密所需时间较长，可能猜测正确  

                    key[i] = guess  

                    break  


    return key

在这个例子中，我们假设密钥长度为密文长度的四分之一。对于每个可能的密钥字节，我们猜测一个值并用它解密整个密文。如果解密后的明文符合某些条件（例如，所有ASCII码都在可打印范围内），则我们检查解密所需的时间。如果解密所需的时间较长，则可能猜测正确，我们更新密钥字节的值。重复执行这个过程，直到我们找到所有密钥字节的值。

需要注意的是，这个例子中的时序攻击实现非常简单，并且容易受到各种因素的影响（例如，CPU负载、操作系统调度等）。在实际情况下，要进行有效的时序攻击需要更加复杂和精细的实现。同时，这个例子也演示了侧信道攻击的一种形式——通过分析算法执行的时间来获取敏感信息。因此，在设计加密算法和实现加密系统时，必须考虑侧信道攻击的威胁，并采取相应的防护措施来保护系统的安全性。

一个能耗攻击的例子：

以下是一个简单的Python代码示例，用于执行功耗分析攻击，攻击对象为一个简单的加密算法。请注意，这个示例仅用于演示目的，并不应该被用于实际攻击。

python


import matplotlib.pyplot as plt  

import numpy as np  

  

# 定义一个简单的加密算法，它使用异或操作进行加密  

def simple_encrypt(plaintext, key):  

    ciphertext = ""  

    for i in range(len(plaintext)):  

        ciphertext += chr(ord(plaintext[i]) ^ key[i % len(key)])  

    return ciphertext  

  

# 定义一个函数来执行功耗分析攻击  

def power_analysis_attack(ciphertext, num_guesses=100):  

    # 存储每次猜测的功耗数据  

    power_data = []  

    for guess in range(num_guesses):  

        # 执行加密算法，并测量功耗数据  

        start_time = time.time()  

        ciphertext_guess = simple_encrypt(ciphertext, guess)  

        end_time = time.time()  

        power_data.append((end_time - start_time) * 1000) # 将时间转换为毫秒  

    # 绘制功耗数据图  

    plt.plot(power_data)  

    plt.xlabel("Guess")  

    plt.ylabel("Power Consumption (mW)")  

    plt.title("Power Analysis Attack")  


    plt.show()

在这个例子中，我们定义了一个简单的加密算法，它使用异或操作进行加密。然后，我们定义了一个函数来执行功耗分析攻击。该函数接受密文作为输入，并尝试猜测密钥的值。在每次猜测时，我们执行加密算法并测量功耗数据。最后，我们将功耗数据绘制成图表并显示出来。

需要注意的是，这个例子中的功耗分析攻击实现非常简单，并且容易受到各种因素的影响（例如，CPU负载、操作系统调度等）。在实际情况下，要进行有效的功耗分析攻击需要更加复杂和精细的实现。同时，这个例子也演示了侧信道攻击的一种形式——通过分析设备的功耗变化来获取敏感信息。因此，在设计加密算法和实现加密系统时，必须考虑侧信道攻击的威胁，并采取相应的防护措施来保护系统的安全性。

一个错误攻击（Fault Attack）的代码示例

错误攻击（Fault Attack）是一种针对计算机系统安全性的攻击方式，它利用程序在处理数据时发生的错误来获取未授权访问或篡改数据。以下是一个使用错误攻击（Fault Attack）来破解简单密码的Python代码示例。在这个例子中，攻击者可以通过控制输入的电压来改变加密算法的输出，并尝试猜测正确的密码。

python

import hashlib 



# 加密函数 

def encrypt(password, salt): 

# 将密码和盐值拼接起来 

data = password + salt 

# 使用SHA256算法进行加密 

hash_object = hashlib.sha256(data.encode()) 

return hash_object.hexdigest() 



# 错误攻击函数 

def fault_attack(encrypted_password, num_guesses=100): 

# 存储每次猜测的密码和功耗数据 

password_data = [] 

power_data = [] 

for guess in range(num_guesses): 

# 尝试猜测密码的值 

password = guess 

# 执行加密算法，并测量功耗数据 

start_time = time.time() 

encrypted_guess = encrypt(password, "salt") 

end_time = time.time() 

power_data.append((end_time - start_time) * 1000) # 将时间转换为毫秒 

# 检查猜测的密码是否与正确的密码匹配 

if encrypted_guess == encrypted_password: 

password_data.append(password) 

# 绘制功耗数据图和密码分布图 

plt.figure(figsize=(10, 5)) 

plt.subplot(1, 2, 1) 

plt.plot(power_data) 

plt.xlabel("Guess") 

plt.ylabel("Power Consumption (mW)") 

plt.title("Power Analysis Attack") 

plt.subplot(1, 2, 2) 

plt.hist(password_data, bins=10, density=True) 

plt.xlabel("Password") 

plt.ylabel("Probability") 

plt.title("Password Distribution") 

plt.show()

在这个例子中，我们定义了一个简单的加密函数 encrypt，它将一个密码和一个盐值作为输入，并返回一个加密的字符串。然后，我们定义了一个错误攻击函数 fault_attack，它接受一个加密的密码作为输入，并尝试猜测正确的密码。在每次猜测时，我们执行加密算法并测量功耗数据。如果猜测的密码与正确的密码匹配，则将其存储起来。最后，我们绘制了功耗数据图和密码分布图。

第三章、Side Channel造成什么危害？

Side Channel攻击可能会造成严重的危害，包括但不限于：

密码泄露：攻击者可以通过侧信道攻击获取到加密设备的密钥或明文信息，从而破解密码，获取敏感数据。
数据泄露：如果攻击者能够获取到加密设备的密钥或明文信息，他们就可能解密存储在设备中的数据，或者在数据传输过程中窃取数据。
系统崩溃：一些侧信道攻击可能会导致加密设备在运行过程中崩溃，从而破坏系统的正常运行。
安全漏洞：侧信道攻击可能会暴露出系统中的安全漏洞，使得攻击者可以利用这些漏洞进行更进一步的攻击。

因此，侧信道攻击对于敏感数据的安全性具有极大的威胁，需要采取有效的防御措施来防止侧信道攻击。

泄露敏感信息：边信道攻击可以泄露敏感信息，例如密码、密钥、PIN码等。
破坏加密算法：边信道攻击可以破坏加密算法，例如RSA、AES等。
远程攻击：一些边信道攻击可以在远程环境下进行，例如通过Wi-Fi或蓝牙连接。
隐私泄露：边信道攻击可以泄露用户的隐私信息，例如用户的位置、行为等。
数据篡改：边信道攻击可以篡改数据，例如修改传输的数据包。

第四章、如何预防Side Channel？

预防Side Channel攻击的方法包括：

设计安全协议：设计安全协议时，应该考虑如何防止侧信道攻击。例如，可以设计协议来随机化执行顺序、增加冗余指令、屏蔽敏感数据等。
加密数据：对敏感数据进行加密可以防止侧信道攻击。加密算法应该选择不容易受到侧信道攻击的算法，例如对称加密算法或公钥加密算法。
物理防护：对于一些侧信道攻击，可以通过物理防护来防止攻击。例如，可以隔离设备、使用电磁屏蔽材料、控制设备的供电等。
软件防护：软件防护可以防止一些侧信道攻击。例如，可以监控设备的运行状态、检测异常功耗等。
培训员工：培训员工了解侧信道攻击和如何防止攻击可以帮助他们更好地保护系统和数据的安全性。

总之，预防Side Channel攻击需要综合考虑多种方法，包括设计安全协议、加密数据、物理防护、软件防护和培训员工等。

Side Channel是指通过加密软件或硬件运行时产生的各种泄漏信息获取密文信息的一种攻击方法，如计时、功耗、电磁辐射等。
Side Channel攻击的条件是能够建立泄漏的物理信号与处理的数据之间的联系，以及处理的数据与芯片中的数据之间的联系。
Side Channel攻击的防御措施分为两类：一是消除或减少泄漏信息的产生，如使用屏蔽、滤波、加噪、通风、卫生等物理手段；二是消除或减少泄漏信息与密文数据之间的关联，如使用随机化、掩码、平衡设计等软件或硬件技术。

参考：

Side-channel attack - Wikipedia

文章来源:https://blog.csdn.net/jimmyleeee/article/details/135313814
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