Elektromagnetische und akustische Seitenkanäle

Neben Leistung geben Chips elektromagnetische (EM-)Strahlung ab und erzeugen akustisches Rauschen. Beide Kanäle übertragen datenabhängige Signale, die kryptografische Geheimnisse preisgeben können.

Schaltende Transistoren geben EM-Strahlung ab. Eine kleine Sonde in der Nähe eines ICs kann Signale aufnehmen, die räumlich auf eine einzelne Funktionseinheit begrenzt sind – dadurch ist die Messung präziser als eine globale Leistungsmessung.

EM-Sonden können bestimmte Module (z. B. die AES-S-Box-Einheit) gezielt erfassen und den Rest des Chips ignorieren. Dadurch steigt das Signal-Rausch-Verhältnis und die für die Schlüsselwiederherstellung benötigte Anzahl von Traces sinkt.

TEMPEST (ein klassifiziertes US-Regierungsprogramm, das später freigegeben wurde) untersucht EM-Abstrahlungen von Bildschirmen, Tastaturen und Logikschaltungen. Van-Eck-Phreaking rekonstruiert den Inhalt von CRT-/LCD-Bildschirmen anhand der austretenden Hochfrequenzsignale.

Im Jahr 2013 stellten Shamir und Kollegen RSA-4096-Schlüssel wieder her, indem sie das hochfrequente Pfeifen von Kondensatoren in einem Laptop aufzeichneten. Der Klang verändert sich abhängig davon, welche modularen Multiplikationen die CPU ausführt.

Spectre (2018) nutzt spekulative Ausführung aus: Geheimnisabhängige Speicherzugriffe hinterlassen Cache-Spuren, die von einem Angreiferprozess gelesen werden können. Dadurch wird die Prozessisolation zwischen Browsern und virtuellen Maschinen durchbrochen.

Flush+Reload: Der Angreifer leert eine Cache-Zeile, das Opfer greift auf eine geheimnisabhängige Adresse zu, und der Angreifer lädt die Zeile erneut und misst die Zugriffszeit. Treffer = schnell = geheimes Bit erschlossen.

Ein Richtmikrofon oder ein am Gehäuse angebrachtes Kontaktmikrofon nimmt das Spulenfiepen von Kondensatoren auf. Das Signal wird mit 44 kHz–192 kHz digitalisiert und mithilfe einer FFT verarbeitet, um schlüsselabhängige Frequenzmuster zu extrahieren.

Forschende haben EM-Leckage zwischen gemeinsam auf demselben physischen Host betriebenen Cloud-VMs nachgewiesen und AES-Schlüssel aus einer Opfer-VM wiederhergestellt, indem sie eine Sonde an der gemeinsam genutzten Infrastruktur anbrachten.

CVE-2017-5753 (Spectre), CVE-2017-5754 (Meltdown) und der akustische RSA-Angriff (Usenix Security 2014) sind wegweisende Beispiele. Browseranbieter passten die Auflösung von Zeitgebern an, um Cache-Angriffe zu entschärfen.

EM-Sonden bieten eine höhere räumliche Auflösung als globale Leistungsmessungen. Akustische Angriffe nutzen das Spulenfiepen von Kondensatoren aus. Mikroarchitekturelle Angriffe (Spectre/Meltdown) verwenden Cache-Timing. Gegenmaßnahmen reichen von EM-Abschirmung bis zur Deaktivierung gemeinsam genutzter Zeitgeber in Browsern.