针对非接触式安全微控制器的攻击方式及防范措施

电子

作者：Peter Laackmann博士，英飞凌科技股份公司安全产品部首席专家；Marcus Janke，英飞凌科技股份公司安全产品部资深专家

智能卡安全控制器通常会受到许多黑客的攻击。最近，攻击者的技术有了大幅度提高，使得许多原本被认为是安全的设计退出了使用。因此，应用于电子护照的长寿命非接触式高安全性芯片，被加入了最新的安全防范措施——它们必须能够经受最广泛的测试。

市场上的“纯”射频识别（RFID）芯片与标准的微控制器和安全控制器之间有着明显的区别。“纯”RFID芯片主要用于对象识别，不包含微控制器，其功能性和安全性都被限制在能够满足应用所需的合理范围之内。

相反，具有隐私和数据保护需求的非接触式应用，则要求更高的安全级别。经过合理设计的安全微控制器能足该应用领域的数据安全和隐私保护要求。

芯片技术在身份验证中的应用，正逐渐成为公众关注的一个热点。大多数讨论的话题与电子身份识别系统有关，但是，我们应该注意到，还存在另一个很少被关注的方面——芯片技术本身。

用于诸如电子身份识别卡或护照等非接触式应用的半导体芯片，其设计必须能够保护所存储的数据不会遭到非法的纂改。攻击者通过操纵芯片内部的数据，就能设法达到非法修改信息的目的。他会设法篡改身份证芯片中的内容，这样在身份证被篡改后，其表面的印刷信息与芯片内容可仍会保持一致。一些身份识别系统还具有“鉴权”功能，即读卡器终端能够验证身份证或护照数据的完整性与真实性——甚至还具有“相互鉴权”功能，即身份证或护照也能对读卡器进行验证。在这两类验证中，安全控制器芯片会带有一个特殊的密钥，用于检查操作。但是，如果密钥被破解，安全性将不复存在。因此，这些芯片也需要被保护，以防止对鉴权密钥的非法读取。

总体而言，芯片制造商的目标是采取经过测试和验证的有效防范措施，来应对多方面的威胁。这些威胁主要可被分为三类：故障诱导攻击、物理攻击和旁通道攻击。

半侵入攻击

今天，扰乱智能卡的功能已经被发展成为一门攻击技术，吸引着成千上万来自世界各地的攻击者，其中既有业余选手，也有技艺高超的专业人士。因此，“故障诱导攻击”（也被称为“半侵入攻击”）成为对安全控制器进行安全评估和认证时所关注的焦点问题。

智能卡控制器通常由硅片制成。当暴露于不同的环境条件时，硅的电气特性会发生改变。例如，硅的电气特性在不同的电压、温度、光照、离子辐射以及电场和磁场条件下，会有所不同。攻击者会设法通过改变这些环境条件来诱发诸如智能卡控制器的程序运行错误等故障行为。通常，攻击者会设法强制芯片做出错误的决定（例如接受一个错误的登录鉴权码），以便对其存储器中的保密数据进行存取操作。这一被称作“存储器转储”的方法，已经发展成故障攻击的一种有趣的变体。在受到故障诱导攻击之后，安全控制器不仅给出非保密的识别数据，还会输出包括软件产品、保密数据甚至存储密钥在内的更多数据。

更有甚者，使用“DFA（差分故障攻击）”时，在某些情况下，攻击者只需使用精密的数学算法进行一次故障计算，就能够提取出完整的密钥。

许多方法可以引发故障，其中包括改变电源电压、电磁场诱导、采用可见光或放射性材料对芯片表面进行辐射，以及改变温度等。其中的某些方法只需使用廉价的设备就可以实施，因此成为了业余攻击者的理想选择。


光学故障攻击

专业的实验室评估设备

虽然今天的某些安全控制器在数据手册中宣称其已经采取了防范措施，但只有通过测试才能判定这些防范措施在实际应用中是否真的有效。由于这些防范措施的效果有很大差别，因此必须通过独立的认证机构对安全级别进行评估和验证。在被批准使用前，目前的身份证和电子护照中所使用的芯片都经过了大量的安全测试，但对于不同国家所使用的不同身份识别系统，安全测试的标准会有所不同。

必须从不同的角度来构建防止故障诱导攻击的概念，并使它们之间能够精确地互相合作。英飞凌高级芯片卡控制器的安全概念基于三道条防线。

•  阻止故障诱导的发生

•  检测故障诱导条件

•  防范安全控制器故障行为的措施

第一道防线是对电源和输入信号进行滤波——使用反应迅速的稳压器来阻挡特定范围内的电压瞬变。此外，时钟的某些异常行为也会被阻挡。例如，如果安全控制器受到突然施加高压的方法的攻击，并且整流系统无法进行阻挡，那么将采用传感器作为第二道防线。如果传感器检测到环境参数达到临界值，就会触发警报使芯片卡进入安全状态。电压传感器检测电源电压，时钟传感器检测频率异常，温度和光学传感器检测光学和温度攻击。由于光学攻击也能从芯片的背面进行，因此光学传感器能够有效地抵抗来自两面的辐射。第三道防线是安全控制器内核本身的设计。硬件与软件防范措施的有机结合，筑起了第三道防线。由于在某些情况下，纯软件的防范措施本身就会成为故障攻击的目标，因此必须采用硬件与软件结合的方法。

物理攻击

攻击者还设法用一种更直接的方法来控制硅芯片上的电路——例如通过将微控制器上的信号线与攻击者的电子设备相连，从而读取信号线上传输的保密数据，或将自己的数据注入到芯片中。


物理攻击

获取保密信号的探针

防止物理攻击的首要措施是在芯片内部对存储器和总线系统进行加密，即采用强大的加密算法对芯片中存储的数据进行加密，使得攻击者即使能得到数据，也只是无用的信息。

另一方面，可以采取主动屏蔽构建一条有效的防线来阻止攻击本身。此时，采用微米级的信号线覆盖在安全控制器之上。这些信号线会一直被监控，只要其中的一条与另一条之间形成短路、被切割或毁坏，就会发出一个警报。这种多级防范措施能够提供适当的保护，抵御物理攻击——即便是高级的攻击设备。

旁通道攻击

攻击者使用旁通道攻击来获取有关保密数据（例如鉴权密钥）的信息，通过仔细观察芯片的工作参数就能实现旁通道攻击。采用功耗分析的方法时（SPA — 简单功耗分析、DPA — 差分功耗分析或EMA — 电磁分析），随着芯片内部所进行的操作和数据类型的不同，芯片的功耗或电磁辐射的强度会出现高低变化，攻击者就设法从中提取所需的信息。

电磁分析：

从芯片中获取旁信道信息的电感线圈

采用“时序攻击”办法，可对某项操作的持续时间进行分析——随着被处理的数据或所使用密钥的不同，时序也将不同，这样就能进行有效的攻击。

过去、现在和未来

考虑到攻击者会不断地改进攻击方式，甚至发明新的技术，因此想要对现在和未来的攻击进行有效的防范，很明显需要一个整体的安全概念。因此，英飞凌决定为他的芯片卡产品开发自己的高安全性处理器内核。在研发和产品开发过程，以及安全测试和验证过程中，安全性和性能都得到了最优先的考虑。虽然研发自己的内核的决定，还涉及到其他一些考虑事项，但在进行首次安全测试之后，其优势立即清晰可见。英飞凌采用最先进的攻击技术来检测产品，对其中所采取的防范措施和安全特性都进行了彻底的测试。独立的安全评估和验证是证明预定安全级别的价值的最重要的手段。

对新的攻击方法和防范措施的探索将永无止境。我们必须设计出能有效防范未来攻击的新型安全产品，以应对未来的攻击模式。

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