Partitioning Attacks: Or How to Rapidly Clone Some GSM Cards

גלעד בן-אור

2007benorg@inter.net.il

מהו כרטיס חכם

שימוש בכרטיס חכם לאותנטיקציה

Partitioning attack

אמצעי הגנה

ביקורת על המאמר

סיכום

מבוא לערוצי צד תקיפות מתמטיות

הזרקת שגיאות

COMP128אלגוריתם

מהו כרטיס חכם

בתוך הכרטיס החכם

VccRSTCLK

RFU

VppI/O

GND

RFU

יחידIOקו

CLKנשלט מבחוץ

VCCנשלט מבחוץ

בתוך הכרטיס החכם

256 bytes to 4KB RAM. 8KB to 32KB ROM. 1KB to 32KB EEPROM. Crypto-coprocessors 8-bit to 16-bit CPU (8051)

עלות של פחות מדולר בייצור סדרתי

איך מדברים עם הכרטיס החכם (GSM)אפליקציות

עם כרטיס GSMאותנטיקציה חכם

כולל(2.5עבר-הווה )עד דור המפעילה רוצה לאמת שהמנוי שמדבר איתה הוא אכן המנוי

כפי שהוא הזדהה )פחד מגניבת שיחות(יש צורך בתיאום מפתחות הצפנה

3דור - UMTS המפעילה רוצה לאמת שהמנוי שמדבר איתה הוא אכן המנוי

כפי שהוא הזדהה )פחד מגניבת שיחות( המנוי רוצה לאמת שהמפעילה היא אכן המפעילה שהוא מכיר

)פחד מהכנסת מזיקים לטלפון( יש צורך בתיאום מפתחות הצפנה

GSMאימות ה

A3

Mobile Station Radio Link GSM Operator

A8

A5

A3

A8

A5

Ki Ki

Challenge RAND

KcKc

mi Encrypted Data mi

SIM

Signed response (SRES)SRESSRES

Fn Fn

Authentication: are SRES values equal?

comp128אלגוריתם

COMP128

RAND (128 bit)

Ki (128 bit)

96 bit outputSRES 32 bit and Kc 64 bit

comp128תקיפות מתמטיות – האלגוריתם ידוע – נמצא ע"י הנדסה לאחור מתייחסים אל האלגוריתם + המפתח כקופסה

שחורה מזריקיםINPUTS כרצוננו ועפ"י ה OUTPUTS

ביט(128 )מפתח של Kiמנסים לנתח מהו המפתח

comp128תקיפות מתמטיות – ניתוח והתמודדות

נמצא אלגוריתם שמחלץ את המפתחKi ע"י וקטורי כניסה )כרצוננו( 160,000הזרקת כ

:מה עשו חברות הסלולר הגבילו את כמות האימותים המותרים לכרטיס ל

אימותים32,000

אימות נעשה בכל פעם שמדליקים את הטלפון ולפחות פעם ביום שנה של אימותים – לא מהווה מגבלה50לכן, כרטיס מספיק בממוצע ל

בראי המאמרערוצי צד*

בתוך הכרטיס החכם נמצא מעבד פעולת המעבד היא דטרמיניסטית )בניגוד למערכות

מחשב עם מערכת הפעלה(ריצת המעבד מושפעת רק מהקלט שהזינו עבורוהמעבד משדר מידע ב"ערוצי צד" לא רצויים

ערוץ צד – זמן

ערוץ צד – הספק

ערוץ צד – קרינה אלקטרו מגנטית

ערוץ צד הספק

המעבד צורך את רוב ההספק בעת עליית השעון כיוון שאנו מספקים עבורו את המתח, אנו יכולים

למדוד את הזרם הנצרך ולהסיק על ההספק בין מספר דגימות הספק של אותו קטע קוד + אותו

קלט קיימת קורלציה גבוהה

VccRSTCLK

RFU

VppI/O

GND

RFU

A ספקמיוצב

כרטיס דגימה

דוגמה לערוץ צד הספק

דוגמה לבדיקתPIN ניסיונות 3למשתמש

לפני שהכרטיס ננעל 8המעבד הוא מעבד

ביטמשווה סיפרה סיפרה

PINהכנס

1בדוק סיפרה

==

4בדוק סיפרה

==

הפחת ניסיוןאפשר גישה

דוגמה לערוץ צד הספקהמשך

ניתן לזהות את חלק ההשוואהעפ"י דגימות ההספק

ניתן לזהות האם ההשוואה 10הצליחה או לא )הזרקה של

דגימות 9הספרות האפשריות. יהיו זהות(

ניתן לנתק לכרטיס את המתחלפני שיגיע לפונקציה של

הפחתת ניסיוןהשיטה נקראת

Differential Power Analysis

PINהכנס

1בדוק סיפרה

==

4בדוק סיפרה

==

הפחת ניסיוןאפשר גישה

Differential Power Analysis

השוואת )חיסור(ההתנהגות של דגימות ההספקעבור קלטים שונים

הוצגה ע"יKocher בכנס 99 בשנת CHES עורר סערה בתחום כרטיסים חכמים ואילץ את

יצרניות הכרטיסים להתגונן מפני השיטה

הזרקת שגיאות

הזרקת שגיאות תוך כדי פעולת הכרטיס כדי לגבורעל מנגנוני הרשאה או להצליח לגלות ביתר קלות

את סודות הכרטיסמה אפשר לעשות

למרות שKi אינו ניתן בקריאה, לשכנע את הכרטיס לאפשר לנו לקרוא אותו

בתים של 15לגרום לכרטיס לחשוב ש ki הם אפסים אפשרויות 256ורק בית אחד שונה מאפס. למנות על

*16

ציוד למדידת הספקים

ציוד להזרקת שגיאות

שגיאות

ת רוב המחקריםה א

מי עוש ???

Partitioning Attacks

שימוש בהנחות מימוש של האלגוריתםשימוש בערוצי צד

Level 0

Level 1

Level 2

Level 3

Level 4

128-bit Ki 128-bit RAND

8bits

8bits

7bits

6bits

5bits

4bits

טבלה9->8

Comp128

דרך המחקר

Kiקבוע וקטורי כניסה 1000נכניס Rand נמדוד את ערוץ הצד הספק עבור כל ריצה וריצה של

האלגוריתם נחפש קורלציות בין מדידות הספק שונות בחלקים

שונים של האלגוריתם לבין וקטורי הכניסה ננסה להסביר את הקורלציות במבנה האלגוריתם או

המימוש

נמצאה קורלציה

התגלית

:בשלב הראשון של האלגוריתם הוא מממשX[i] =T0[(K[i]+2*R[i]) mod 512]X[i+16] =T0[(2*K[i]+R[i]) mod 512]

זיכרון0.5KBytes

T0Address: 9 bits Data: 8 bits

ביט8איך נממש זאת במעבד

זיכרון0.25KBytes

T01 Data: 8 bits

זיכרון0.25KBytes

T00

Address[7:0]

Data: 8 bits

Data: 8 bits

Address[8]

הבחנה באמצעות דגימות ההספק

הבחנה באמצעות דגימות ההספק

דוגמה

X[i] =T0[(K[i]+2*R[i]) mod 512]X[i+16] =T0[(2*K[i]+R[i]) mod 512]

Byte1 כל הסיגנלים עם :R[0] :מתחלקים לשתי קטגוריות '155-255[, ] 0-26[קטגוריה א[ '27-154[קטגוריה ב [

Byte2 כל הסיגנלים עם :R[0] :מתחלקים לשתי קטגוריות '0-105[קטגוריה א [ '106-255[קטגוריה ב [

K+2*26<256

K+2*27>=256

K=? K=202 or 203

2*K+105<512 and 2*K+106>=512

K=203

8bits

8bits

K R

האלגוריתם:Partitioning Attack on

COMP128 מצאR[0]שמקיים

K[0] + 2R[0] (mod 512) < 256K[0] + 2(R[0]+1) (mod 512) >= 256

אפשרויות2קיימות רק מצאR’[0]שמקיים

2K[0] + R’[0] (mod 512) < 2562K[0] + R’[0] + 1 (mod 512) >= 256

אחד מהK[0]'שנמצא בשלב א' יתאים לשלב ב הבתים האחרים של המפתח יעשה 15חישוב

בצורה דומה

דרישות קלט

1000דגימות רנדומאליות

256דגימות שנבחרו מראש

8דגימות שנבחרו תוך כדי התהליך

Cardinal Principle

Relevant bits of all intermediate cycles and their values should be statistically independent of the inputs, outputs, and sensitive information

ביקורת על המאמר

נכון עבור כרטיסים חכמים ישנים ומסויימים דורש אימון כדי לזהות את דגימות ההספק )ולכן

ידוע(Kiדרוש כרטיס אימון עם אמצעי הגנה בכרטיסים חדשים

Random Delayמרעישי הספק

ביט32המעבד בכרטיסים חדשים הוא של האלגוריתם שונה לCOMP128-2, COMP128-3,

COMP128-4

אמצעי התגוננות

טבלאות הן אבן בניין חשוב ונפוץ במנגנוני צופן יש צורך להגן עליהן מפני ניתוח ערוצי וצד ותקיפות

מסוג הזרקת שגיאות קיימים אלגוריתמים שמדמים אי תלות בין הקלט

הנכנס לטבלה לבין בחירת הטבלה קיימים פתרונות חומרה שמגנים מפני ערוץ צד

בשטח 2הספקים "שערים מיוחדים". עלות כמעט פי הסיליקון.

אמצעים פשוטים יותר אך יעילים של צרכני הספק רנדומלי.delayרנדומלים ו

סיכום

שימוש בערוץ צד הספקניצול טעויות מימוש של אלגורתים אימות מודרני גישות לכרטיס 8-32 ביט ב 128חילוץ מפתח של

בזמן זניח )שניות מספר(

קל להתגונן מפני השיטה )אחרי שמגלים את חורהאבטחה(

ציוד שאינו נגיש לכלhacker דרוש ידע מתמטי .וציוד מדידה רגיש ויקר

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.tech2.com/media/images/img_1853_sim-card_450x360.jpg&imgrefurl=http://www.tech2.com/india/news/mobile-phone-accessories/behold-the-1-gb-sim-card-from-samsung/2742/0&h=300&w=450&sz=91&hl=en&start=9&um=1&tbnid=v2PjQ5iiQ9WEVM:&tbnh=85&tbnw=127&prev=/images%3Fq%3Dsim%2Bcard%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Den

שעורי בית נמצא Kiמה היתרון )מבחינת אבטחת מידע( שהמפתח 1(

ולא במכשיר הסלולארי?SIMבכרטיס ה

. 0xa8 (K[0]=0xa8)ערך הבית אפס של המפתח הוא 2( partitioningהדגם כיצד היית מגלה ערך זה בעזרת

attack?

אפיין )דיאגראמת בלוקים( מערכת למדידת ערוץ צד 3(הספק להזרקת שגיאות.

משולב במחולל הספק אקראי random delayמדוע 4(מהווה פיתרון מסדר ראשון לבעיה?

benorg@inter.net.il