Атаки по сторонніх каналах: як комп'ютери видають секрети

Що таке атака по сторонніх каналах?

Коли йдеться про кібератаки, зазвичай уявляють злом паролів, шкідливе програмне забезпечення або експлуатацію вразливостей у програмному забезпеченні. Атака по сторонніх каналах працює інакше. Вона шукає непрямі підказки, які комп'ютер видає під час звичайної роботи. Це можна порівняти із сейфом: злодій не знає комбінації, але, уважно слухаючи, як обертається циферблат, може вловити невеликі клацання або паузи, що розкривають інформацію про те, що відбувається всередині. Сейф не призначений для обміну цією інформацією, але його фізична поведінка все одно видає підказки.

Сучасні комп'ютери мають власні версії таких підказок. Наприклад, кожен комп'ютер може витрачати різну кількість часу на виконання різних завдань або використовувати різну кількість електроенергії. Апаратне забезпечення — процесори, пам'ять, відеокарти та накопичувачі — може залишати крихітні сліди під час роботи. Атака по сторонніх каналах — це спроба спостерігати за цими непрямими підказками та використовувати їх для отримання приватної інформації. Слабкість походить від того, як машина виконує свою роботу; зловмисник не краде пароль безпосередньо і не зламує комп'ютер, а вивчає сліди, залишені машиною під час її роботи.

Історія та розвиток

Ідея витоку інформації не нова. У 1985 році нідерландський дослідник Вім ван Ек показав, що електромагнітні сигнали від відеодисплеїв можна перехопити та декодувати, що дозволяло підслуховувати вміст екрана. Екран не транслював свій вміст навмисно, а випускав сигнали як побічний ефект роботи.

У 1990-х роках атаки по сторонніх каналах стали особливо важливими в криптографії. У 1996 році дослідник Пол Кохер продемонстрував, що ретельне вимірювання часу виконання певних операцій може розкрити приватну інформацію із систем, що використовують поширені криптографічні методи. Пізніше Кохер та його колеги Джошуа Джаффе та Бенджамін Джун показали, що вимірювання споживання електроенергії може допомогти відновити секретні ключі із захищених від несанкціонованого доступу пристроїв, таких як смарт-карти.

Ці відкриття змінили уявлення інженерів про безпеку. Стало недостатньо запитувати, чи є алгоритм шифрування математично безпечним; стало ще важливіше запитувати, чи не випускає пристрій, що виконує алгоритм, підказки через час, потужність, звуки або іншу фізичну поведінку.

Типи атак та сучасні приклади

Існує кілька поширених типів сторонніх каналів:

Атака за часом (timing attack): шукає невеликі відмінності в тривалості операцій.
Атака за потужністю (power attack): вивчає використання електроенергії.
Електромагнітні атаки: досліджують ненавмисні сигнали.
Акустичні атаки: використовують звук. Наприклад, дослідники показали, що слабкий шум, який видає ноутбук під час певних криптографічних операцій, може бути використаний для вилучення 4096-бітного секретного криптографічного ключа за експериментальних умов.

Прикладами, що привернули широку увагу до атак по сторонніх каналах, стали атаки на процесори. Сучасні процесори використовують спекулятивне виконання для підвищення швидкості. У 2018 році дослідники кібербезпеки виявили дві вразливості, названі Meltdown і Spectre, у цій техніці. Вони показали, що ці передбачення можуть залишати вимірювані сліди, які шкідлива програма може використовувати для отримання захищеної інформації. Meltdown і Spectre поставили під сумнів базове припущення сучасних обчислень про те, що різні програми на одній машині мають бути ізольовані, і показали, що функції продуктивності, вбудовані глибоко в чипи, можуть мати наслідки для безпеки.

З того часу дослідники продовжують знаходити нові атаки по сторонніх каналах у сучасному апаратному забезпеченні:

Hertzbleed (2022): показав, що зміни частоти процесора можуть стати сигналом часу, що потенційно розкриває криптографічні секрети віддалених серверів.
Downfall (2023): вплинув на певні процесори Intel, демонструючи, як функція Gather може витікати старіші дані, що залишилися в процесорі.
Zenbleed (2023): вплинув на процесори AMD Zen 2, дозволяючи конфіденційній інформації з іншого процесу з'являтися там, де вона не повинна.

Дослідження сторонніх каналів також вийшли за межі центральних процесорів:

GPU.zip: показав, що графічні процесори (GPU) іноді можуть витікати візуальні підказки через обробку даних зображень, включаючи пікселі з іншої вебсторінки в браузері Google Chrome.
GoFetch (2024): виявив, що апаратна функція в багатьох процесорах Apple, призначена для прогнозування майбутніх потреб у пам'яті, може підірвати захист у криптографічному програмному забезпеченні та допомогти витягти секретні ключі.
FROST (2024): стосується твердотільних накопичувачів (SSD). Зловмисний вебсайт може використовувати функцію зберігання браузера (origin private file system) для створення та доступу до файлів у захищеній області (пісочниці), а потім вимірювати крихітні затримки в активності SSD. Це дозволяє вебсайту за певних умов виводити інформацію про іншу активність на тому ж комп'ютері, наприклад, відвідані вебсайти або використовувані програми.

Значення атак по сторонніх каналах

Хоча атаки по сторонніх каналах можуть бути руйнівними, вони не є повсякденною кібератакою, з якою стикається більшість людей. Більшість реальних кіберзлочинів все ще покладаються на простіші та дешевші методи, такі як експлуатація вразливостей програмного забезпечення, крадіжка облікових даних, фішинг, шкідливе програмне забезпечення та програми-вимагачі. Наприклад, звіт Verizon за 2026 рік виділяє вразливості програмного забезпечення та програми-вимагачі як основні джерела витоків, а не атаки по сторонніх каналах як рутинну точку входу.

Однак це не робить атаки по сторонніх каналах неважливими. Багато з них виявляються дослідниками до того, як вони набувають широкого кримінального використання. Вони важливі, оскільки викривають слабкі місця в припущеннях, що лежать в основі сучасних обчислень. Вони впливають на дизайн чипів, безпеку браузерів, хмарні обчислення, криптографічні бібліотеки та спосіб мислення інженерів про конфіденційність. Атаки по сторонніх каналах є нагадуванням про те, що комп'ютерам не потрібно навмисно розкривати секрети, щоб їх витікати. Іноді найменші підказки, залишені під час роботи, можуть сказати більше, ніж хтось очікував.

Що це означає для розробників

Ці атаки викривають слабкі місця в базових припущеннях сучасних обчислень, що вимагає від розробників враховувати не лише математичну безпеку алгоритмів, а й потенційні витоки даних через фізичну поведінку пристроїв. Це впливає на дизайн чипів, безпеку браузерів, хмарні обчислення та розробку криптографічних бібліотек.

Ключові факти

Атака по сторонніх каналах шукає непрямі підказки, які комп'ютер видає під час звичайної роботи, на відміну від типових кібератак.
Ці підказки можуть включати час виконання завдань, споживання електроенергії або електромагнітні сигнали.
Ідея не нова: у 1985 році Вім ван Ек продемонстрував перехоплення електромагнітних сигналів від відеодисплеїв.
У 1990-х роках Пол Кохер показав, що вимірювання часу операцій або споживання енергії може розкривати секретні дані з криптографічних систем.
Відомі приклади атак по сторонніх каналах включають Meltdown і Spectre (2018), які виявили вразливості в спекулятивному виконанні процесорів.