智能卡的攻擊技術(shù)分析及安全設(shè)計(jì)策略

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：中國(guó)一卡通網(wǎng)　收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月28日

    0 引言 

    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)為智能卡本身具有較高的安全性 ，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，從而導(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(duì)于保證整個(gè)智能卡應(yīng)用系統(tǒng)的安全性有重大的意義。本文首先分析了目前主要的智能卡攻擊技術(shù)，并有針對(duì)性地提出相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)策略。 

    1 智能卡設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述 

    智能卡是將具有存儲(chǔ)、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(chǔ)器兩部分,邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 

    智能卡內(nèi)部的微處理器一般采用8 位字長(zhǎng)的中央處理器，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受外部設(shè)備發(fā)送的命令，對(duì)其進(jìn)行分析后，根據(jù)需要控制對(duì)存儲(chǔ)器的訪問。訪問時(shí)，微處理器向存儲(chǔ)器提供要訪問的數(shù)據(jù)單元地址和必要的參數(shù)，存儲(chǔ)器則根據(jù)地址將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，最后由微處理器對(duì)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(chǔ)器容量一般都不是很大，存儲(chǔ)器通常是由只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 和電擦除可編程存儲(chǔ)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1KB； EEPROM中則存儲(chǔ)了智能卡的各種信息,如加密數(shù)據(jù)和應(yīng)用文件等，容量通常介于2KB 到32KB 之間，這部分存儲(chǔ)資源可供用戶開發(fā)利用。 

圖1 　智能卡的硬件結(jié)構(gòu)

    2 智能卡攻擊技術(shù)分析 

    在智能卡的設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)流程及使用過程中會(huì)遇到各種潛在的威脅。攻擊者可能采取各種探測(cè)方法以獲取硬件安全機(jī)制、訪問控制機(jī)制、鑒別機(jī)制、數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)、存儲(chǔ)體分區(qū)、密碼模塊程序的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及初始化數(shù)據(jù)、私有數(shù)據(jù)、口令或密碼密鑰等敏感數(shù)據(jù)，并可能通過修改智能卡上重要安全數(shù)據(jù)的方法，非法獲得對(duì)智能卡的使用權(quán)。這些攻擊對(duì)智能卡的安全構(gòu)成很大威脅。 

    對(duì)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bugs 
    （2） 物理攻擊：分析或更改智能卡硬件
    （3） 邊頻攻擊：利用physical phenomena 來分析和更改智能卡的行為 

    2．1 邏輯攻擊技術(shù)分析 

    許多方面存在潛在的邏輯缺陷：
    （1） 潛藏的命令：
    （2） 不良參數(shù)與緩沖器溢出
    （3） 文件存取
    （4） 惡意進(jìn)程applet？
    （5） 通信協(xié)議
    （6） 加密協(xié)議，設(shè)計(jì)與執(zhí)行過程 

    2．2 物理攻擊 

    多種方法和工具可用于實(shí)現(xiàn)物理攻擊 

    （1） 化學(xué)溶劑、蝕刻和著色材料
    （2） 顯微鏡
    （3） 探針臺(tái)
    （4） FIB聚離子束？ 

    物理攻擊的安全對(duì)策在以下方面加以改進(jìn)：

    （1） 形體尺寸
    （2） 多層化
    （3） 保護(hù)層
    （4） 傳感器
    （5） 不規(guī)則總線？
    （6） 封膠？邏輯 

    2．3 邊頻攻擊 

    1）差分能量分析（DPA） 

    差分能量分析（DPA）攻擊是通過用示波鏡檢測(cè)電子器件的能量消耗來獲知其行為。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(duì)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(huì)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(duì)0和1產(chǎn)生的差分軌跡，就可以識(shí)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。 

    2）能量短脈沖干擾 

    微處理器要求在穩(wěn)定的電壓下工作，能量供應(yīng)的中斷就好象突然沖擊程序運(yùn)行或復(fù)位電路。然而，一個(gè)短而巧妙的脈沖可以引起單步的程序錯(cuò)誤而微處理器仍能繼續(xù)執(zhí)行程序。例如， CPU讀取存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，三極管用一個(gè)閾值來檢測(cè)存儲(chǔ)單元的值以確定所讀的是邏輯0或1。突然出現(xiàn)的能量短脈沖對(duì)存儲(chǔ)值和邏輯值都會(huì)產(chǎn)生影響。不同的內(nèi)部容量會(huì)使存儲(chǔ)值受到不同的影響，有可能會(huì)使真實(shí)的值被歪曲。如圖3所示，與邏輯0對(duì)應(yīng)的低電平在正常的操作狀態(tài)下可能低于閾值電平，然而由于短脈沖的能量下壓可能導(dǎo)致其高于閾值電平。許多加密算法都易受這一類故障注入的影響。采用差分故障分析（DFA， Differential Fault Analysis ）技術(shù)將正確的與錯(cuò)誤的密碼編碼相比較從而析出秘藏的密鑰。 

圖3 讀存儲(chǔ)器時(shí)能量短脈沖干擾

    短脈沖干擾的第二種攻擊方式是將PIN校驗(yàn)失敗轉(zhuǎn)為成功以欺騙處理器。更為嚴(yán)格的一種方式是在處理器正要將校驗(yàn)失敗寫入存儲(chǔ)器時(shí)完全關(guān)閉電源，從而避免PIN校驗(yàn)失敗計(jì)數(shù)器溢出。 

    短脈沖干擾的第三種應(yīng)用是攻擊發(fā)送限制計(jì)數(shù)器，從而導(dǎo)致整個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)容輸出到串行接口。 

    3 智能卡的安全設(shè)計(jì)策略 

    安全應(yīng)用的設(shè)計(jì)者使用智能卡而無視其許多的弱點(diǎn)（攻擊點(diǎn)？），可供選擇的解決方案有著其自己的安全漏洞，甚至于更不安全。本節(jié)為設(shè)計(jì)者提供一些應(yīng)用技巧，以達(dá)到適當(dāng)水平的安全。 

    3．1 攻擊者的商業(yè)狀況 

    大多數(shù)嚴(yán)重的威脅來自于尋求經(jīng)濟(jì)利益的攻擊者。這一類攻擊者會(huì)慎重考慮成本與收入之間的平衡。防范措施的技巧多在于增加攻擊成功的難度和成本。 

    3．2 設(shè)計(jì)步驟 

    智能卡應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者使用現(xiàn)成？的智能卡產(chǎn)品來設(shè)計(jì)系統(tǒng)、軟件和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。盡管面臨重重威脅，他仍然需要交付一個(gè)足夠安全的系統(tǒng)。

    以下是達(dá)成這一目標(biāo)所需要采取的步驟：
    （1）確定應(yīng)用系統(tǒng)所需的安全程度及特殊的安全要求。同時(shí)還需要將技術(shù)上、商業(yè)上、公共關(guān)系上（品牌價(jià)值）潛在的安全成本考慮在內(nèi)。
    （2）進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析并評(píng)估安全威脅。
    （3）分析攻擊者的商業(yè)狀況，考慮從善意的黑客到犯罪組織等各種類型的攻擊者。
    （4）選擇能達(dá)到所要求的安全級(jí)別的智能卡解決方案。 

    3．1 邏輯攻擊的安全策略 

    邏輯攻擊的安全對(duì)策 

    （1） 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)
    （2） 正規(guī)的校驗(yàn)
    （3） 測(cè)試
    （4） 接口與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化
    （5） 集中？應(yīng)用JAVA卡操作系統(tǒng)
    （6） 普及評(píng)估實(shí)驗(yàn)室

    3．2 物理攻擊的安全策略 

    物理攻擊的安全對(duì)策在以下方面加以改進(jìn)： 

    （7） 形體尺寸
    （8） 多層化
    （9） 保護(hù)層
    （10） 傳感器
    （11） 不規(guī)則總線？
    （12） 封膠？邏輯 

    3．3 安全設(shè)計(jì)策略 

    面對(duì)上述種種攻擊手段，智能卡在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)所要求的安全級(jí)別采用響應(yīng)安全設(shè)計(jì)策略，其基本思想是：增加芯片上集成電路的復(fù)雜性；提高電路的抗干擾能力；增加噪聲來掩蓋真正的電源功率的消耗；提高對(duì)異常信號(hào)的控制功能等等。具體預(yù)防措施如下： 

    （1）限制程序計(jì)數(shù)器技術(shù)
    在上面所述的短脈沖攻擊中，由于攻擊者可以利用程序計(jì)數(shù)器來增加對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)的訪問， 因此在智能卡程序設(shè)計(jì)時(shí)一定要限制程序計(jì)數(shù)器的使用， 以免被攻擊者所利用。 

    （2）隨機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)
    許多邏輯和邊頻攻擊技術(shù)是要攻擊者預(yù)見某條指令執(zhí)行的準(zhǔn)確時(shí)間。如果處理器在每一次復(fù)位后執(zhí)行一個(gè)相同的指令，很容易被攻擊者發(fā)現(xiàn)。推測(cè)處理器的行為也能簡(jiǎn)化對(duì)協(xié)議的分析。因此預(yù)防措施是在可觀察和關(guān)鍵的操作之間插入隨機(jī)的時(shí)鐘，這樣可以有效地防止這種攻擊。 

    （3）低頻傳感器
    當(dāng)智能卡芯片用低頻的時(shí)鐘電路驅(qū)動(dòng)時(shí)，用電子流測(cè)試來觀察總線的技術(shù)日益簡(jiǎn)單。因此芯片的設(shè)計(jì)者要對(duì)低于某一時(shí)鐘頻率的行為報(bào)警，以防止這種行為的發(fā)生。應(yīng)設(shè)計(jì)這樣一種電路：外部的復(fù)位信號(hào)不能直接作用到內(nèi)部復(fù)位線上， 只能引起一個(gè)外部分頻器來降低時(shí)鐘信號(hào)頻率，以激發(fā)低頻探測(cè)器，而它又可激發(fā)內(nèi)部復(fù)位線，最終停止分頻器，而處理器通過傳感器測(cè)試并開始正常的操作。這種設(shè)計(jì)的處理器在上電后沒有正常的內(nèi)部復(fù)位就不會(huì)運(yùn)行。其它防御非入侵式攻擊的傳感器也要嵌入到處理器的正常操作中去，否則可以通過破壞電路的方式繞過它們。 

    為了增加攻擊者的難度， 可以將電路設(shè)計(jì)為多個(gè)電路層。使微探針技術(shù)的使用受到一定限制，從而保證了一定的安全性。但同時(shí)也增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和提高了制造成本。 

    （5）頂層的傳感器網(wǎng)
    在芯片的表面加上一層格狀的網(wǎng)絡(luò)能夠有效地防止激光切割及探針類的探測(cè)技術(shù)。這種技術(shù)也能有效地防止對(duì)低層電路的進(jìn)一步探測(cè)。這種傳感器網(wǎng)與一個(gè)寄存器的標(biāo)志位相關(guān)聯(lián)，當(dāng)入侵行為發(fā)生的時(shí)候，寄存器的標(biāo)志位發(fā)生改變，使內(nèi)存的內(nèi)容清零。 

    （6）自毀技術(shù)
    在芯片的最外層沉積一層薄薄的金屬膜， 并在其上可加UZ 的電壓，然后在最外面用塑料封裝起來。這樣，芯片就好像穿了一層導(dǎo)電的衣服。如攻擊者用精密機(jī)械探針插入芯片內(nèi)企圖探測(cè)里面的密碼時(shí)， 會(huì)引起短路而燒毀芯片。
 
    （7）抗電磁探測(cè)密碼技術(shù)
    采用平衡電路降低信號(hào)能量以及設(shè)置金屬防護(hù)以抑制電磁發(fā)射。導(dǎo)電衣服對(duì)芯片內(nèi)發(fā)出的電磁輻射有一定的屏蔽或衰減作用，使其輻射出來的電磁波減弱。因此可以在芯片里面加上1個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器， 其結(jié)果是使輻射出的電磁波更加混亂， 即便是靈敏的電磁探頭測(cè)到它的電磁輻射也無法分析到里面的真實(shí)密鑰。 

    （8）鎖存電路
    在智能卡的處理器中設(shè)置鎖存位。當(dāng)出現(xiàn)異常情況，如溫度、壓力、電壓、電流等出現(xiàn)不安全的情況并對(duì)芯片內(nèi)的敏感數(shù)據(jù)產(chǎn)生威脅時(shí)，它會(huì)發(fā)出解鎖電平，同時(shí)立即清除芯片中的敏感數(shù)據(jù)&注意此項(xiàng)功能的設(shè)置與用戶所采用的安全策略有關(guān)，否則容易引起用戶不滿。
 
    （9）隨機(jī)多線程
    設(shè)計(jì)多線程處理器結(jié)構(gòu)，由硬件控制處理器，在每一個(gè)指令組隨機(jī)有N 個(gè)或多個(gè)線程在執(zhí)行。這樣的處理器由多組寄存器、程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器等組成，組合邏輯采取隨機(jī)改變的方式。 

    （10）破壞測(cè)試電路：在智能卡卡生產(chǎn)時(shí)一般會(huì)保留測(cè)試電路用以測(cè)試智能卡卡是否合格，而有些智能卡卡在發(fā)行時(shí)仍然保留了這些測(cè)試電路，從而為攻擊者提供了巨大的便利，因此，在智能卡檢測(cè)合格后，應(yīng)該破壞掉這些電路。

    4 結(jié)論 

    智能卡應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)安全環(huán)境很復(fù)雜的系統(tǒng)，本文為分析這個(gè)系統(tǒng)面臨的安全攻擊提供了一個(gè)思路，為系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。下一步工作是量化各安全設(shè)計(jì)策略，探索在降低安全威脅與增加安全成本之間尋找最佳平衡點(diǎn)的方法。