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Ataques a smart cards: Side channel analysis (II)

En este post volvemos al tema de las smart cards, continuando con los ataques de tipo side channel analysis. En el post anterior vimos qué es eso del side channel y qué tipos había, así como analizamos un ataque a RSA basado en el tiempo de ejecución de una potencia realizada con el método de cuadrados repetidos ( repeat squaring ).

En este post vamos a hablar un poco del análisis de potencia ( power analysis ), en qué se basa y cómo funciona. No voy a poner ningún ejemplo concreto aquí, aunque al final enlazo a una página con ejemplos para matlab/octave.

Bases del análisis de potencia

Los ataques mediante análisis de la potencia consumida se basan en que, en un microcontrolador o microprocesado, la potencia consumida por el dispositivo depende de:

• La instrucción ejecutada
• Los datos tratados en dicha instrucción

Así pues, si la potencia consumida depende de los operandos de la instrucción, es lógico pensar que analizando dicha potencia consumida en un proceso conocido pero con unos datos desconocidos ( clave? ) podríamos llegar a obtener estos datos desconocidos.

Medida de la potencia consumida en smart cards

Como ya conocemos, la alimentación y el reloj de una smart card es proporcionada por el lector mediante sus pines externos. Por tanto, es sencillo introducir elementos en esa red de alimentación para poder calcular el consumo de potencia del dispositivo durante su operación.

El circuito más sencillo que se nos puede ocurrir es introducir una pequeña resistencia en serie con la línea de Vcc o de GND del dispositivo, por ejemplo de 1 ó 50 Ohmios. De esta forma, la corriente que fluye por la resistencia es la misma que la que fluye por el dispositivo, y realizando una medida de la tensión caída en dicha resistencia tenemos un valor proporcional al consumo de potencia del dispositivo.

Otra opciones más avanzadas incluyen el uso de circuitos estabilizados con la intención de que el circuito de medida afecte en la menor manera posible al dispositivo que se está analizando.

Análisis de potencia simple (SPA)

El análisis de potencia simple, o SPA de sus siglas en inglés, se basa en la inspección de una o unas pocas trazas de la potencia consumida por el dispositivo bajo estudio. De esta forma resulta sencillo obtener información sobre qué operación está realizando el dispositivo mediante la observación de patrones conocidos en las trazas.

Por ejemplo, la observación comentada en el post anterior sobre RSA se podría realizar con una de estas trazas directamente, mientras que con DES o AES probablemente no seríamos capaces de deducir ninguna clave. Lo que sí seríamos capaces es de determinar que se está realizando un cifrado DES debido a la aparición de 16 patrones similares que denotan las 16 rondas de cifrado/descifrado de DES.

Análisis de potencia diferencial (DPA)

Esta modalidad del análisis de potencia requiere la adquisición de muchas trazas de la potencia consumida por el dispositivo. Básicamente el procedimiento es el siguiente:

1. Adquirir trazas de potencia del dispositivo
2. Escoger un resultado intermedio del cifrado para atacarlo
3. Calcular todos los posibles valores del resultado intermedio
4. Obtener una estimación del consumo de potencia en base a dichos valores
5. Calcular mediante alguna función de medida la clave más probable

Como ejemplo, en el punto 2 podríamos escoger los valores de salida de la primera S-box de AES ( o el componente SubBytes que es lo mismo) en la primera ronda de ejecución, y para cada valor del primer byte de la clave, k, combinado con el primer byte de datos,d, obtener el valor S[ k XOR d].

A partir de aquí se aplica el modelo de consumo elegido, que puede ser tan simple como LSB del valor o un poco más elaborado como el peso hamming del mismo, HW(S[ k XOR d]).

Finalmente se realiza la comparación mediante algún operador estadístico como puede ser la correlación de las trazas con el consumo estimado, o la diferencia de las medias como se explicaba en el paper original de Paul Kocher y otros. Todas estas funciones de medida tienen la propiedad de que a mayor resultado, más probable es la clave. Por tanto, buscando el máximo de la comparación encontraremos el valor del resultado intermedio, y de ahí el de la clave.

También tienen la propiedad de que a mayor número de trazas, más fácil encontrar el valor correcto de la clave; así pues, el número de trazas necesario para romper una implementación puede ser usado como indicativo de la seguridad de las protecciones implementadas en la misma, de las cuales hablaré un poco más adelante.

No voy a decir más sobre esto, pero existen libros completos sobre el tema de análisis de potencia, así que voy a dejar simplemente la referencia a un libro y a su web. El libro se llama Power Analysis Attacks, de la editorial Springer, y en su web se pueden obtener trazas en un workspace para matlab y/o octave, además de un ejemplo guiado de ataque.