Evaluierungsleitfaden für die Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen

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Wolfgang Killmann, Guntram Wicke T-Systems Manfred

2 Übersicht über den Vortrag Titel des Dokuments: Minimal Requirements for Evaluating Side-Channel Attack Resistance of Elliptic Curve Implementations Autoren des Dokuments: Manfred Lochter, Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik Wolfgang Killmann, Wolfgang Thumser, Guntram Wicke, T-Systems GEI GmbH Tanja Lange, Technische Universiteit Eindhoven Ziel des Vortrags Überblick über Zielstellung, Inhalt und Verwendung des Dokuments Einordnung des Dokuments in Aktivitäten zur Entwicklung des Deutschen Evaluierungsschemas 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 2

Technische Universiteit Eindhoven Ziel des Vortrags Überblick über Zielstellung, Inhalt und Verwendung des Dokuments Einordnung des Dokuments in Aktivitäten zur

3 Evaluierungsleitfaden Inhalt des Dokuments Seitenkanalanalyse Definition der Seitenkanäle Anforderungen an Messgeräte, Analysewerkzeuge, Evaluatoren Evaluierungsprozess Composite Evaluation Meß- und Analyseaufwand Öffentlich verfügbare Informationen: Literatur, Konferenzen Grundlagen ECC im Hinblick auf Seitenkanalanalyse ECC-Arithmetik Implementierungsmethoden, Angriffe, Gegenmaßnahmen ECC-Protokolle Implementierungsmethoden, Angriffe, Gegenmaßnahmen 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 3

auf Seitenkanalanalyse ECC-Arithmetik Implementierungsmethoden, Angriffe, Gegenmaßnahmen ECC-Protokolle Implementierungsmethoden, Angriffe,

4 Seitenkanalanalyse Definition Seitenkanal = ungewollter Informationsfluss über interne Daten, Zustände und Prozesse aus beobachtbaren physikalischen Signalen Seitenkanäle umfassen einzelne oder eine Kombination informationstragender physikalischer Größen (Signale) alle Energieformen alle beobachtbaren Schnittstellen Seitenkanalanalyse = Messung und Auswertung der Signale zur Kompromittierung von Geheimnissen oder zur Unterstützung anderer Angriffe Bedrohungsmodell für Sicherheitsschaltkreise (s. BSI-CC-PP-0035) 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 4

Seitenkanalanalyse = Messung und Auswertung der Signale zur Kompromittierung von Geheimnissen oder zur Unterstützung anderer Angriffe Bedrohungsmodell für

5 Seitenkanalanalyse Schwachstellenanalyse Seitenkanalanalyse ist Bestandteil jeder Schwachstellenanalyse der CC- Evaluierung von Chipkarten und ähnlichen Geräten Seitenkanalanalyse kann eingeteilt werden nach Beobachteten physikalischen Signalen (Größen und Schnittstellen) - Ausgaben, Stromverbrauch, Abstrahlung Analysemethoden - Signalanalyse: Einzelmessung, statistische Methoden, Einzelsignal oder Signalgruppen, Mustererkennung, Analyse des Zeitverhaltens, - Analyse der Hardware und Software des Evaluierungsgegenstandes Betriebsbedingungen des Evaluierungsgegenstandes - unter allen normalen Betriebsbedingungen - außerhalb normaler Betriebsbedingungen, Fehlerinduktion 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 5

Einzelsignal oder Signalgruppen, Mustererkennung, Analyse des Zeitverhaltens, - Analyse der Hardware und Software des Evaluierungsgegenstandes Betriebsbedingungen des Evaluierungsgegenstandes - unter

6 Seitenkanalanalyse Quellen und Abhängigkeiten Funktionsebene Beispiele Quellen Analyse Kommunikationsprotokolle ISO7816 Kommandos Kryptoprotokolle PACE (mit ECC) Kryptoalgorithmen ECC-Arithmetik über GF(p) ([ kq ] ) x da + H( M) s: mod p k yq yp ( P+ Q) x : = xp xq mod p xq xp [2] P : = 3x + a 2x mod p ( ) ( ) 2 x P P Hardware Software Komplexität Moduloperationen der Koprozessoren d z: x+ ymod pc, : m mod n CPU Kommandos ADD, MUL, Jump Datentransfer über Bus Lesen, Schreiben 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 6

x P P Hardware Software Komplexität Moduloperationen der Koprozessoren d z: x+ ymod pc, : m mod n CPU Kommandos ADD, MUL, Jump Datentransfer über Bus Lesen,

7 Seitenkanalanalyse (SKA) Beispiele Auswahl der elliptischen Kurve beeinflusst Sicherheit Standardkurven können für EVG fixiert sein Benutzerdefinierte Kurven erfordern zusätzliche Analysen Es besteht eine enge Wechselbeziehung zwischen Hardware, Algorithmen, Implementierung und SKA-Gegenmaßnahmen sehr enge Wechselwirkung zwischen Hardware und Software getrennte Evaluierung von HW und SW ( composite evaluation ) ist möglich gemeinsame Evaluierung von Hardware und Kryptobibliothek vorteilhaft Punktaddition, Skalarmultiplikation und darauf aufbauende Algorithmen können auf sehr viele verschiedene Arten implementiert und geschützt werden Design der Kryptoalgorithmen und Protokolle kann SKA-Resistenz erschweren, aber auch fördern (Randomisierung von Geheimnissen, Zwischenergebnissen) 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 7

composite evaluation ) ist möglich gemeinsame Evaluierung von Hardware und Kryptobibliothek vorteilhaft Punktaddition, Skalarmultiplikation und darauf aufbauende Algorithmen können auf sehr viele

8 Evaluierungsleitfaden SKA vs. EAL Vielzahl von Angriffen / Gegenmaßnahmen Leitlinie formuliert Minimalanforderungen, kann und will nicht vollständig sein Kenntnis des EVG, Wissen und Können des Evaluators ermöglicht Konzentration auf das Wesentliche 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 8

will nicht vollständig sein Kenntnis des EVG, Wissen und Können des Evaluators ermöglicht

9 Evaluierungsleitfaden Anforderungen an Prüfstelle und Evaluatoren Laborgeräte und Hilfsmittel CCDB Requirements to perform Integrated Circuit Evaluations Standardmesstechnik ist meist ausreichend (Spezialtechnik für EMA, RFID) Spezialsoftware für die Auswertung der Messwerte nichtmanipulierende SKA i.v. mit zeitweiliger oder dauerhafter Manipulation Messungen Signal-Rausch-Verhältnis, Speicherfrequenz und Speichertiefe sind wichtig 1,000 bis 10,000 Messungen für SPA, lokale TA, SEMA oder FA 100,000 bis 1,000,000 Messungen für differentielle (statistische) Methoden Anforderungen an die Evaluatoren Kenntnisse: Hardware und Software, ECC-Implementierung, SKA-Gegenmaßnahmen Kenntnis öffentlich bekannter Angriffe und deren Anwendung auf den EVG Weiterbildung der Spezialisten über 2 bis 3 Wochen pro Jahr 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 9

mit zeitweiliger oder dauerhafter Manipulation Messungen Signal-Rausch-Verhältnis, Speicherfrequenz und Speichertiefe sind wichtig 1,000 bis 10,000 Messungen für SPA, lokale TA, SEMA oder FA 100,000

10 Evaluierungsleitfaden Nutzung Hersteller Unterstützung für das Design der Sicherheitsarchitektur und die Implementierung der SKA- Gegenmaßnahmen Prüfstelle Planung und Entwicklung der SKA-Methoden der Prüfstelle Leitlinie für die SKA als Teil der Schwachstellenanalyse eines EVG Zertifizierungsstelle Teil der AIS46 Informationen zur Evaluierung von kryptographischen Algorithmen und ergänzende Hinweise für die Evaluierung von Zufallszahlengeneratoren Durchsetzung minimaler Anforderungen an die Seitenkanalanalyse für Chipkarten und ähnliche Geräte (Kickoff Meeting Schwachstellenanalyse) Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen Herstellern, Prüfstellen, international Akkreditierungsstelle minimale Anforderungen an die Prüfstellen für Chipkarten und ähnliche Geräte 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 10

Hinweise für die Evaluierung von Zufallszahlengeneratoren Durchsetzung minimaler Anforderungen an die Seitenkanalanalyse für Chipkarten und ähnliche Geräte (Kickoff Meeting Schwachstellenanalyse)

11 Zusammenfassung Seitenkanalanalyse ist ein sehr wichtiger, komplexer und sich schnell entwickelnder Aspekt der Schwachstellenanalyse für Chipkarten und ähnliche Geräte. Die Evaluierungsleitlinie definiert Minimalanforderungen für die Seitenkanalanalyse. Sie erhebt nicht den Anspruch der Vollständigkeit, wohl aber der schöpferischen Anwendung und ständigen Aktualisierung. Die Leitlinie ist Teil umfassender Maßnahmen zur Gewährleistung der fachlichen Qualität und der Objektivität der Evaluierungen sowie der nationalen und internationalen Vergleichbarkeit der Ergebnisse. 12. Deutscher IT-Sicherheitskongress, 12. Mai 2011, Killmann, Lochter, Wicke: Evaluierungsleitfaden für Seitenkanalanalyse von ECC-Implementierungen 11

Sie erhebt nicht den Anspruch der Vollständigkeit, wohl aber der schöpferischen Anwendung und ständigen Aktualisierung.

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