Robert Gassner Christof Kauba Stefan Mayer

Transkript

1 Robert Gassner Christof Kauba Stefan Mayer

2 Anwendungen und Typen von Chipkarten Kryptographische Grundlagen Standards für Smartcards Schutz auf physikalischer Ebene Schutz auf logischer Ebene Beispielhafte Angriffe 2

3 E-Card, Gesundheitswesen Bankomat-Karte Studentenausweis Sim-Karte Authentifizierung, digitale Unterschriften Pay-TV 3

4 Magnetstreifenkarte Speicherkarten Quelle: Mikroprozessorkarten Kontaktlose Chipkarten 4

5 Nur ein Speicher (EEPROM) Zugriff über I/O- Schnittstelle Für Datenspeicherung Quelle: Z.B. Telefonkarten Vorteil: günstig Nachteil: unsicher 5

6 Besitzen eine CPU, EEPROM, ROM, RAM und I/O Unit Zugriff auf Speicher nur über CPU möglich Haben meist eigenes Betriebssystem Kryptographische Verfahren (NPU) 6

7 Beispiele: SIM-Karte EC-Karte Quelle: _SCALED_440x0.jpg Vorteil: höhere Sicherheit Nachteil: teurer Quelle: 7

8 Durch induktive oder kapazitive Kopplung Reichweite ca. 10cm Stromversorgung über el. Feld Beispiel: Reisepass Quelle: 8

9 Datenverschlüsselung Message Authentication Code (MAC) Kryptographische Prüfsumme über Daten zum Erkennen von Manipulationen während der Übertragung Schlüsselmanagement Abgeleiteter Key, dynamischer Key, Schlüsseldiversifizierung Authentisierung Symmetrische Challenge-Response-Authentisierung 9

10 Abgeleiteter Key Wird aus einem Masterkey und Kartennummer generiert Dynamischer Key Gebildet aus abgleitetem Key und Zufallszahl Schlüsseldiversifizierung Jede kryptografische Funktion verwendet eigene Schlüssel 10

11 PIN, maximale Anzahl Versuche Challenge-Response Authentisierung Internal Authentication External Authentication Mutual Authentication Zugriff auf Daten der Chipkarte werden vom Betriebssystem überwacht 11

12 Chipkarte Terminal GET Kartennummer Kartennummer GET Zufallszahl Zufallszahl ENC(Zufallszahl(T) Zufallszahl(C)) ENC(Zufallszahl(C) Zufallszahl(T)) 12

13 Mechanische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Betriebssystem Protokolle etc. 13

14 Integration von Chipkarten am PC Definiert Komponenten und Schnittstellen Ressourcenverwaltung Kapselung der Funktionen 14

15 Schnittstelle in C-Syntax Managementfunktionen Kryptoalgorithmen Terminal und Chipkarten werden zu einer Einheit zusammengefasst 15

16 Java-Framework Plattformunabhängig Modulare Integration CardServices Trennung Terminal und Chipkarte 16

17 Kartendesign Manuelles Layout: Vermeidung regelmäßiger Strukturen weitere Schutzschicht gegen UV-Strahlung Speicherdesign Verlagerung des ROMs in tiefere Siliziumschichten RAM ist gegen Störungen unempfindlich spezielle Abschirmung des EEPROMs 17

18 Scrambling des Speichers Interne Busse: nicht nach außen geführt nicht kontaktierbar nicht abhörbar/beeinflussbar Scrambling der Busse Funktionszuordnung verschleiern 18

19 Scrambling des Speichers Interne Busse: nicht nach außen geführt nicht kontaktierbar nicht abhörbar/beeinflussbar Scrambling der Busse Funktionszuordnung verschleiern 19

20 Verschlüsselung des Speichers Echtzeitverschlüsselung beim Lesen/Schreiben Frequenz-/Spannungsüberwachung Möglichst gleiche Leistungsaufnahme aller Befehle Spezielle Sensoren zur Erkennung von Angriffsversuchen (Passivierungsüberwachung) 20

21 Großer technischer Aufwand Chip bzw. Busse müssen freigelegt werden Statische Analysen Smart Card nicht in Betrieb Auslesen des flüchtigen Speichers 21

22 Dynamische Analysen Smart Card in Betrieb Abhören der Busse Messen des Stromverbrauchs der CPU Manipulationen am Chipkarten-Controller Ändern von Speicherinhalten im Mikrocontroller 22

23 Dynamische Analyse Chip und Busse freilegen Kontaktieren des Adress-, Daten- und Steuerbus Auslesen des Speichers (verschl. Geheimdaten) In der Praxis schwer durchzuführen Keine wesentliche Beeinträchtigung der Sicherheit 23

24 Verschlüsselte Datenübertragung Zwischen Gerät und Karte Rauschfreier Kryptoalgorithmus Ausführungszeit unabhängig von Schlüssel und Klartext Prüfsummen über wichtige Speicherinhalte Hard- und Softwaretest nach Reset Prüfung RAM, ROM, EEPROM (CRC-Checksum) 24

25 Schichtentrennung des Betriebssystems Kommunikation über definierte Schnittstellen Kapselung von Anwendungen Softwaremäßig oder mit Hardware (MMU) Verschleierung von Betriebssystemoperationen Z.B. Schreibzugriffe auf EEPROM nicht feststellbar Zufallszahlengenerator Eindeutige Identifizierung der Sitzung 25

26 Zeitanalyse bei PIN-Vergleichen Abschaltung Stromversorgung Dummy Chipkarte Abhören der Datenübertragung Timing Attacke / Stromverbrauchsanalyse Differenzielle Stromverbrauchsanalyse Angriff auf Zufallszahlengenerator Störung des Prozessors 26

27 Durchführen eines byteweisen Vergleichs der PIN's Vergleichsroutine bricht nach zwei unterschiedlichen PIN-Ziffern sofort ab Dadurch entstehen messbare Zeitunterschiede, die helfen können, um auf den geheimen PIN zu schließen Abhilfe: Vergleichsroutine prüft alle PIN-Ziffern 27

28 Zähler für PIN-Eingabe Im EEPROM wird protokolliert wie viele Eingabeversuche noch übrig sind for( byte i=0; i<4; i++ ) { if( buf[i]!= PIN[i] ) { remaining_tries--; } } Update erhöhter Stromverbrauch 5ms messbar wenn Zähler verändert und im EEPROM gespeichert wird Änderung kann durch Stromunterbrechung verhindert werden 28

29 Abhilfe: Zähler wird erst dekrementiert Nach erfolgreicher PIN-Überprüfung wird Zähler wieder inkrementiert remaining_tries--; boolean bad = false; for( byte i=0; i<4; i++ ) if( buf[i]!= PIN[i] ) bad = true; if(!bad ) remaining_tries++; 29

30 Selbst programmierte Karte Erweitert mit Analyse- und Protokollfunktionen Kommunikation mit Terminal protokollieren Geheimer Schlüssel müsste bekannt sein Abhilfe: Authentisierung der Karte gegenüber Terminal 30

31 Manipulation der Chipkarte Ein Pin wird isoliert und die Daten an einen externen PC umgeleitet bzw. abgehört, verändert Terminal stellt keinen Unterschied fest Angreifer kann Daten nun mitlesen Abhilfe: Mechanische Klinge trennt Drähte Verschlüsselung der Datenübertragung Chipkartendesign sollte Angriff nicht ermöglichen 31

32 Daten RSA signieren: c = m d mod n Berechnung des Ciphertexts c = 1; s = m; while (d > 0) do { if (d % 2 ==1 ) c = c * z mod n; s = s * s mod n; d = d / 2; } Laufzeit abhängig von Anzahl 1 Bits in d Messung des Stromverbrauchs zeigt, in welchen Iterationen c = c z mod n stattfindet. 32

33 Abhilfe: Konstante Laufzeiten (z.b. dummy multiply) Absichtliches, zufälliges Rauschen im Stromverbrauch 33

34 Viele ( ) unterschiedliche Anfragen zum (Signieren/Ver-/Entschlüsseln) stellen Klartext muss nicht unbedingt bekannt sein Stromverbrauch der Anfragen messen Messungen mit Ergebnissen statistisch korrelieren (Rauschen herausfiltern) => geheimer Schlüssel Abhilfe: Random Wait-States 34

35 Zufallszahlen werden zur Authentisierung verwendet jede Sitzung ist einzigartig Macht das Wiedereinspielen von alten Sitzungen fast unmöglich Angriff Viele Zufallszahlen erzeugen Vorhersage durch deterministisches Verhalten möglich Abhilfe Neuere Betriebssysteme verhindern dies 35

36 Absichtliche Erzeugung von Fehlern bei der Ausführung Sprünge erzeugen Daten manipulieren (RAM, Register) Z.B. durch Lichtblitze, Spannungsspitzen Abhilfe: Sensoren zur Erkennung eines Angriffs Anfragen doppelt ausführen Daten im RAM unmittelbar nach Verwendung löschen 36

37 Differenzielle Fehleranalyse Eine Anfrage (Signieren/Ver-/Entschlüsseln) oft ( mal) stellen Beliebige Bits im Schlüssel kippen Ergebnisse statistisch korrelieren Abhilfe: Ergebnisse überprüfen Dual-Rail-Logic Sensoren zur Erkennung des Angriffs 37

38 W. Rankl., W. Effing., Handbuch der Chipkarten, ISBN Carl Hanser Verlag München Wien 2002 S. Spitz et al., Kryptographie und IT-Sicherheit, DOI / , Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 C. Eckert, Vorlesung Sichere Mobile Systeme, SS10, Kapitel 2: Smartcards, TU München Rui Liu et al., Smart Card Betriebssysteme, Hauptseminar Ansätze für Betriebssysteme der Zukunft, TU München,

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 39