智能卡的邊頻攻擊及安全防范

　　在智能卡應(yīng)用日益廣泛的今天,智能卡應(yīng)用系統(tǒng)的安全問題非常重要。通常認(rèn)為智能卡具有較高的安全性[1],但隨著一些專用攻擊技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,智能卡也呈現(xiàn)出其安全漏洞,導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)安全性降低。分析智能卡面臨的安全攻擊,研究相應(yīng)的防御措施,對于保證整個(gè)智能卡應(yīng)用系統(tǒng)的安全性有重大意義。下面分析目前主要的智能卡攻擊技術(shù)之一——邊頻攻擊技術(shù)，并有針對性地提出相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)策略。

　　1 智能卡簡述

　　智能卡是將具有存儲、加密及數(shù)據(jù)處理能力的集成電路芯片鑲嵌于塑料基片上制成的卡片。智能卡的硬件主要包括微處理器和存儲器兩部分,邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　智能卡內(nèi)部的微處理器多采用8位字長的CPU(當(dāng)然更高位的微處理器也正在開始應(yīng)用)。微處理器的主要功能是接收外部設(shè)備發(fā)送的命令,對其進(jìn)行分析后, 根據(jù)需要控制對存儲器的訪問。訪問時(shí),微處理器向存儲器提供要訪問的數(shù)據(jù)單元地址和必要的參數(shù),存儲器則根據(jù)地址將對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸給微處理器,最后由微處理器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理操作。此外,智能卡進(jìn)行的各種運(yùn)算(如加密運(yùn)算) 也是由微處理器完成的;而控制和實(shí)現(xiàn)上述過程的是智能卡的操作系統(tǒng)COS?？▋?nèi)的存儲器容量由只讀存儲器ROM、隨機(jī)存儲器RAM和電擦除可編程存儲器 EEPROM組成。其中,ROM 中固化的是操作系統(tǒng)代碼,其容量取決于所采用的微處理器;RAM 用于存放操作數(shù)據(jù),容量通常不超過1 KB;EEPROM存儲智能卡的各種信息,如加密數(shù)據(jù)和應(yīng)用文件等,容量通常介于2 KB~32 KB之間(這部分存儲資源可供用戶開發(fā)利用)。

　　2 對智能卡安全的威脅

　　對智能卡的攻擊可分為三種基本類型：

　　① 邏輯攻擊——在軟件的執(zhí)行過程中插入竊聽程序。智能卡及其COS中存在多種潛在的邏輯缺陷，諸如潛藏的命令、不良參數(shù)與緩沖器溢出、文件存取、惡意進(jìn)程、通信協(xié)議、加密協(xié)議等。邏輯攻擊者利用這些缺陷誘騙卡泄露機(jī)密數(shù)據(jù)或允許非期望的數(shù)據(jù)修改。

　?、?物理攻擊——分析或更改智能卡硬件。用于實(shí)現(xiàn)物理攻擊的手段和工具包括化學(xué)溶劑、蝕刻與著色材料、顯微鏡、亞微米探針臺以及粒子束FIB等。

　?、?邊頻攻擊——利用物理量來分析和更改智能卡的行為。通過觀察電路中的某些物理量,如能量消耗、電磁輻射、時(shí)間等的變化規(guī)律,來分析智能卡的加密數(shù)據(jù);或通過干擾電路中的某些物理量,如電壓、電磁輻射、溫度、光和X射線、頻率等,來操縱智能卡的行為。

　　智能卡攻擊方法的有效性以攻擊者所獲得的效益高于其耗費(fèi)的時(shí)間、精力、經(jīng)費(fèi)等作為標(biāo)準(zhǔn)。表1給出了上述三種攻擊類型的情況對比。

　　物理攻擊成本過高，耗時(shí)費(fèi)力，較少被采用;邏輯攻擊雖然投入較少，容易實(shí)施，但也容易防范，成功率較低。近年來，新興的邊頻攻擊技術(shù)因其較高的收益成本比而被廣泛使用。盡管智能卡業(yè)界對于邊頻攻擊的解決方案已有了越來越多的認(rèn)識，然而許多智能卡對于這類攻擊仍毫無免疫力。目前，應(yīng)用最為廣泛的邊頻分析和邊頻操縱技術(shù)包括：差分能量分析技術(shù)DPA(Differential Power Analysis)與能量短脈沖波形干擾(Power Glitching)技術(shù)。下面重點(diǎn)就這兩種邊頻攻擊的方法加以分析，并給出相應(yīng)的安全策略。

　　3 差分能量分析

　　3.1 DPA攻擊的分析

　　DPA(差分能量分析)攻擊是通過用示波鏡檢測電子器件的能量消耗來獲知其行為的。圖2為某智能卡用DES算法加密時(shí)的能量追蹤圖。

　　能量消耗是不連續(xù)的并呈現(xiàn)出某種模式。眾所周知，用DES算法對一個(gè)輸入數(shù)據(jù)加密時(shí)需要執(zhí)行16次循環(huán)，因此可以在能量軌跡的16次重復(fù)模式中識別出這些循環(huán)。攻擊者只需知道算法的明文(輸入)或密文(輸出)，通過分析和比較一系列的能量軌跡就可重現(xiàn)加密密鑰。DPA攻擊的基礎(chǔ)是假設(shè)被處理的數(shù)據(jù)與能量消耗之間存在某種聯(lián)系，換句話說，假設(shè)處理0比1所用的能量要少(反之亦然)，那么對兩個(gè)不同數(shù)據(jù)執(zhí)行同一算法的兩個(gè)能量軌跡會由于輸入數(shù)據(jù)的不同而產(chǎn)生微小的差別。用計(jì)算機(jī)嚴(yán)格按時(shí)鐘計(jì)算兩條軌跡的差得到差分軌跡，差分軌跡中出現(xiàn)峰值的時(shí)刻即是輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的時(shí)鐘周期。如此檢查加密算法的所有輸入以及每一對0和1產(chǎn)生的差分軌跡，就可以識別出它們出現(xiàn)在程序代碼中的確切時(shí)間，從而獲取加密密鑰。

　　DPA使得加密算法的內(nèi)部處理過程可以被研究，這一危險(xiǎn)性對智能卡安全提出了更高的要求。加密算法必須使用足夠長度的全密鑰，以保證探索密鑰的過程因過于耗時(shí)而不可行。一個(gè)完整的算法通常在加密過程中分解成許多小步驟以使處理器可以實(shí)現(xiàn)。這些小步驟往往不使用全密鑰而是用其中的一部分。DPA可以獲取這些小步驟的輸出并探索出這些較短的密鑰值，因此，從理論上說，所有加密算法都可用DPA破解。雖然這種攻擊方法的開發(fā)十分復(fù)雜，然而其應(yīng)用卻十分簡單且只需很小的投資，所需的設(shè)備僅限于1臺PC及中等精度的示波鏡，因此解決DPA問題成為智能卡制造商最急需面對的問題之一。

　　3.2 DPA攻擊的安全策略

　　應(yīng)對DPA攻擊的安全策略基本分為三個(gè)層面：硬件、軟件和應(yīng)用層面。

　　(1) 硬件層面的反措施

　　① 采用平衡電路降低信號能量,以及設(shè)置金屬防護(hù)以抑制電磁發(fā)射。

　?、?執(zhí)行并行隨機(jī)處理來加大幅值噪聲水平。例如，內(nèi)部編程電壓產(chǎn)生電路可用作并行噪聲發(fā)生器。

　?、?隨時(shí)處理中斷引入的時(shí)間噪聲和不同的時(shí)鐘頻率。對差分軌跡進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理的基礎(chǔ)是軌跡可排列。在加入軌跡之前處理器的工作步驟應(yīng)是同步的。時(shí)間噪聲會防止或至少妨礙軌跡很好地排列。

　　硬件反措施的好處在智能卡對于側(cè)路攻擊的敏感性比較少地依賴于軟件的變化,但其弱點(diǎn)在于只能降低智能卡對于側(cè)路攻擊的敏感性而無法完全消除它。事實(shí)上，硬件防范措施只是將信號降低到噪聲水平從而使攻擊變得困難。

　　(2) 軟件層面的反措施

　?、?采用隨機(jī)處理順序來減少相關(guān)的信號。例如，算法中的平行置換(諸如DES中的S盒)可依隨機(jī)的順序來完成，置換的數(shù)目重新排序，則可將一次置換產(chǎn)生的信號分解。

　?、?利用隨機(jī)延時(shí)和改變路徑來增加計(jì)時(shí)噪聲。計(jì)時(shí)噪聲會妨礙軌跡的排列，并降低差分軌跡的質(zhì)量。

　　③ 消除密鑰值及中間媒介值的時(shí)間依存性。當(dāng)處理過程取決于密鑰值時(shí)，直接用肉眼觀察軌跡就可實(shí)現(xiàn)簡單的能量分析;而在時(shí)間上連續(xù)的密鑰處理過程則可防止這種易行的攻擊。

　?、?用隨機(jī)值來隱蔽中間媒介值。能量的泄露取決于一個(gè)數(shù)據(jù)中的位數(shù)。如果在實(shí)際數(shù)據(jù)上加上隨機(jī)數(shù)據(jù)，處理完之后再減去，那么傳遞的路徑將不會泄露有用的信息。不過，這種隱蔽將會導(dǎo)致傳遞函數(shù)的非線性并產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，這些函數(shù)需要仔細(xì)地重新設(shè)計(jì),以補(bǔ)償由隨機(jī)數(shù)據(jù)引起的背離。

　　理論上來說，軟件對策完美地解決了DPA攻擊的問題。然而這種方法必須針對某種算法定制且其設(shè)計(jì)相當(dāng)困難，因而非常昂貴且難以維持。

　　(3) 應(yīng)用層面的反措施

　?、?重設(shè)計(jì)數(shù)器，用于限制攻擊者試探的次數(shù)。連續(xù)三次PIN校驗(yàn)失敗后自鎖是防范差分能量分析的有效方法。

　?、?限制加密算法中輸入輸出的控制和可見度。如果只能選擇部分輸入，或只有部分算法的結(jié)果返回，攻擊者就無法完成差分能量分析。

　　以上是防范DPA攻擊的基本方法，其缺點(diǎn)是對可靠性的負(fù)面影響以及需要改變已有的協(xié)議。