Güvenli Elemanlara Yönelik Lazer Hata Enjeksiyonu (LFI) Saldırıları

Lazer hata enjeksiyonu (LFI), donanım güvenliği araştırmacılarının kullandığı en teknik açıdan zorlu saldırı yöntemidir. Bu saldırı, bir çipin açığa çıkarılmış silikon yongasına, belirli bir anda belirli bir transistörü arızaya uğratmak için hassas şekilde odaklanmış kızılötesi bir lazerin ateşlenmesini içerir. Başarıyla uygulandığında, bu yöntem normalde dışarıdan erişilemeyen gizli anahtarların çipten çıkarılmasını sağlayabilir.

Birçok kamuya açık şekilde belgelenmiş vaka, bu tekniğin donanım cüzdanlarında ve kimlik doğrulama anahtarlarında kullanılan özel güvenli çiplere, kriptografik sırları korumak amacıyla başarıyla uygulandığını göstermektedir.

Bu makalede bazı özel vakalara yakından bakıyoruz ve lazer hata enjeksiyonunun çoğu donanım cüzdanı kullanıcısı için neden ciddi bir tehdit oluşturmadığını açıklıyoruz. 

Lazer hata enjeksiyonu, sertifikalı güvenli elemanların laboratuvar koşullarında kırılabileceğini kanıtlar. Ayrıca, bunun altı ayrı operasyonel engeli gerektirdiğini ve bu engellerin kaldırılamayacağını, sıkıştırılamayacağını veya otomatikleştirilemeyeceğini gösterir.

Lazer Hata Enjeksiyonu Nasıl Çalışır?

Örnek vakalara geçmeden önce, lazer hata enjeksiyonunun ne olduğunu ve nasıl çalıştığını netleştirelim.

Fotoelektrik etki

Yarı iletken transistörler ışığa duyarlıdır. Bir lazer kaynağından gelen fotonlar, bir çipin silikon yongası üzerindeki bir transistöre çarptığında, elektron-delik çiftleri oluşur; yarı iletken seviyesinde bu olaya fotoelektrik etki denir.
 

Geçici olarak yük taşıyıcılarının enjekte edilmesi, bir transistörün durumunu değiştirebilir. Yani, kapalı kalması gereken bir transistör kısa süreliğine açılabilir veya bir değeri tutması gereken transistörün değeri değişebilir. Bu, doğru transistörde, doğru anda, doğru komut sırasında gerçekleşirse, çipin kontrollü bir şekilde yanlış çalışmasına yol açabilir.

Modern güvenlik çiplerindeki transistörler nanometre ölçeğindedir; bu nedenle lazer noktası, çipin belirli bir işlevsel bölgesini hedef alacak şekilde birkaç mikrona odaklanmalıdır ve komşu önlemleri tetiklememelidir. Zamanlama da nanosecond hassasiyetinde olmalı ve lazer enerjisi, devreyi kalıcı olarak tahrip etmeden kontrol edilebilir bir hata oluşturacak şekilde ayarlanmalıdır.
 

Araştırmacılar lazeri ateşlemeden önce ne yapmalı?

Cihazın fiziksel olarak hazırlanması bile başlı başına birçok adım içerir ve her biri başarısız olabilir:

1. Bileşen sökümü: Çip, cihazın devre kartından zarar vermeden sökülmelidir. Bu işlem sıcak hava lehimleme ekipmanı ve sabır gerektirir. Söküm sırasında zarar gören bir çip saldırıya uygun değildir.
    
2. Paket açma: Çipin plastik muhafazası çıkarılarak silikon yonga açığa çıkarılır. Standart yöntem, dumanlı nitrik asit ile kimyasal açmadır; bu çok aşındırıcı bir madde olup davlumbaz ekipmanı ve kimyasal işleme eğitimi gerektirir. Alternatif olarak hassas bir aletle mekanik frezeleme yapılabilir, ancak bu yöntem yongayı çizme riski taşır. Her iki yöntem de çipi kalıcı olarak değiştirir ve dışarıdan görünür muhafazasız bırakır.
    
3. Montaj: Açığa çıkarılmış yonga, çipe güç, topraklama ve iletişim sağlayan, lazerin yonga yüzeyine erişimini mümkün kılan özel bir saldırı kartına monte edilmelidir. Kart, hedef çipin pin dizilimine ve güç gereksinimlerine göre özel olarak tasarlanmalıdır.
    
4. Yonga haritalama: Herhangi bir hata enjekte edilmeden önce, araştırmacı lazeri yonganın neresine yönlendireceğini belirlemelidir. Bunun için kızılötesi mikroskopiyle yonga yüzeyinin fotoğrafik haritası çıkarılır ve bellek dizisi, kimlik doğrulama mantığı ve AES motoru gibi işlevsel blokların yerleriyle ilgili bilgiyle birleştirilir. Yayınlanmış yonga fotoğrafı olmayan bir çipte bu haritalama tamamen dışarıdan yapılmalıdır.

Parametre alanı sorunu

Çip hazırlandıktan ve yonga haritalandıktan sonra bile, lazer hata enjeksiyonu saldırısı üç bağımsız parametrenin doğru kombinasyonunu bulmayı gerektirir: 

1. Lazer noktasının yonga üzerindeki koordinatları (X ve Y konumu), 
2. Darbe zamanlaması (çipin çalışmasına göre nanosecond cinsinden)
3. Lazer enerjisi (darbe süresi ve gücü).

Her birinin olası değer aralığı çok geniştir. Faydalı bir hata oluşturan doğru kombinasyonu bulmak için sistematik olarak keşif yapılması gerekir; aksi takdirde çip çökebilir, etkisiz kalabilir veya kalıcı olarak zarar görebilir.

Bu makalede belgelenen vakalarda, başarılı bir hata enjeksiyonu elde edilene kadar haftalarca aktif parametre araması yapılmıştır.

Başarılı bir LFI nasıl görünür, başarısızlığın maliyeti nedir?

Başarılı bir hata enjeksiyonu şu kontrollü arızalardan birini üretebilir:

• Bir güvenlik kontrolü yanlış sonuç döndürür, 
• Korumalı bir bellek bölgesi erişilebilir hale gelir
• Bir kimlik doğrulama adımı atlanır. 

Başarısız bir enjeksiyon ise üç sonuçtan birini doğurur: 

• Çip normal çalışmaya devam eder (hiçbir etki yok), 
• Çip çöker ve sıfırlanmalıdır (tüm ilerleme kaybolur), 
• Çip kalıcı olarak zarar görür ve saldırı yeni bir örnekle baştan başlatılmalıdır.

Bir saldırı sırasında çipin kalıcı olarak tahrip olması alışılmadık bir durum değildir. Ledger Donjon’un ATECC serisindeki çalışmasında, araştırmacılar parametre arama sürecinde önemli çip kayıpları yaşandığını açıkça belirtmiştir. Her yok edilen çip, başarısız bir saldırı girişimi anlamına gelir ve ya aynı cihazdan yeni bir çip ya da yeni bir hedef cihaz gerektirir.
 

Vaka 1: Microchip ATAES132A—Fraunhofer AISEC

[ LASER FAULT INJECTION  ·  FPS 2021 (Springer)  ·  Kara kutu tam anahtar çıkarımı ]

ATAES132A, Microchip Technology'nin AES tabanlı güvenli seri EEPROM’u olup, CryptoAuthentication AES ailesinin ilk cihazıdır.

Teknik dokümanında fiziksel güvenlik özellikleri açıkça belirtilmiştir: 

• Gerilim, sıcaklık, frekans ve ışık için kurcalama dedektörleri; 
• Devre üzerinde aktif metal kalkan; dahili bellek şifrelemesi; 
• Belirtilmeyen ek önlemler.

CC sertifikalı değildir. Güvenlik iddiaları, teknik dokümanında açıklanan özel tasarıma ve harici incelemeye kapalı olan ROM yazılımına dayanır. 

Araştırma

Fraunhofer AISEC’ten Bjoern Selmke, Endres Strieder, Johann Heyszl, Stefan Freud ve Thomas Damm, bulgularını FPS 2021’de (Foundations and Practice of Security) sundu; tam makale 2022’de Springer’ın Lecture Notes in Computer Science serisinde yayımlandı.
 

Projenin ana amacı, içini göremediğimiz çiplerin güvenliğini test etmek için net bir yöntem geliştirmekti; buna kara kutu lazer hata enjeksiyonu denir. ATAES132A çipi, gerçek dünyada bilgileri korumak için kullanılan cihazlara iyi bir örnek olarak seçildi.

Saldırı yöntemi

Araştırmacıların çipin kaynak koduna, tasarım belgelerine veya çipin fotoğraflarına erişimi yoktu. Çalışmaya, transistörlerin açılıp kapandığında yaydığı zayıf ışığı yakalayan fotoemisyon analizi ile başladılar.
 

Çipin belirli işlemleri sırasında çekilen görüntülerle, belirli komutlar sırasında hangi bölgelerin aktif olduğu tespit edildi. Bu sayede devre yerleşimini bilmeden işlevsel bir harita oluşturulabildi.
 

Bu harita kullanılarak hata enjeksiyonu için aday bölgeler, yani güvenlik açısından kritik mantığı barındırma olasılığı yüksek alanlar belirlendi. Ardından, lazer konumu, zamanlama, darbe süresi ve enerji parametreleri sistematik olarak değiştirilerek, kimlik doğrulama komutları çipe gönderildi.
 

Hedef, çipin korumalı kullanıcı bölgelerinin izinsiz okunmasını engelleyen bölge erişim kontrol mekanizmasıydı. Saldırı, saldırganın geçerli bir kimlik doğrulama bilgisi sunmadan bu kontrolün olumlu sonuç vermesini ve korumalı bir bölgenin doğrudan okunabilmesini sağlamayı amaçlıyordu.
 

Saldırı başarılı oldu. Araştırmacılar, kimlik doğrulama bilgisi olmadan, korumalı bir kullanıcı bölgesinden gizli anahtarın lazer hata enjeksiyonu ile tamamen çıkarılabildiğini gösterdi.
 

Vaka 2: Microchip ATECC508A ve ATECC608A

[ LASER FAULT INJECTION  ·  Ledger Donjon  ·  SSTIC 2020 / SSTIC 2021  ·  Black Hat USA 2020 ]

Microchip ATECC508A, soğuk cüzdanlar dahil olmak üzere çok çeşitli IoT ve gömülü güvenlik uygulamalarında kullanılan bir güvenli eleman çipidir.

Yüksek güvenlik standartlarını (FIPS 186-3 ve FIPS rastgele sayı üreteci standartları dahil) karşılamak üzere tasarlanmış olsa da, ATECC508A CC sertifikalı değildir.

ATECC508A saldırısı (2020)

Hedef, ATECC508A'nın veri yuvası kimlik doğrulama mekanizmasıydı. Coldcard Mk2, seed’i sakladığında, bu veri yuvası gizli olarak yapılandırılır ve yalnızca kimlik doğrulama ile okunabilir. Kimlik doğrulama için doğru PIN hash’inin sunulması gerekir. Buradaki fikir, saldırgan çipe fiziksel olarak ulaşsa bile, PIN olmadan veri yuvasını okuyamamasıdır.

Lazer, erişim kontrolü kontrolünün yürütüldüğü anda, çipin hassas şekilde belirlenmiş bir bölgesine ateşlendiğinde, araştırmacılar bu kontrolün kimlik doğrulama yapılmış olsun ya da olmasın başarılı sonuç vermesini sağladı.

Fiziksel hazırlık: ATECC508A’nın cüzdanın PCB’sinden sökülmesi, çipin plastik paketinin arka tarafından frezelenerek çıkarılması ve saldırı kartına monte edilmesi gerekiyordu. Çipin yerleşimini haritalamak ve hedef bölgeyi belirlemek için kızılötesi mikroskop kullanıldı.

Ekipman maliyeti: Ledger Donjon’un kullandığı lazer hata enjeksiyonu sistemi yaklaşık 200.000 $’a mal olmaktadır; buna saldırıyı geliştirecek ve çalıştıracak uzman personel dahil değildir. 

Saldırı süreci yıkıcıdır; çipin paketi kalıcı olarak çıkarılır ve tekrar kullanılamaz. 

Lazer hata saldırılarının ölçeklenememesinin 6 nedeni

Bu laboratuvar saldırısının, saldırganın becerisi veya bütçesi ne olursa olsun, donanım cüzdanı kullanıcıları için pratikte tehdit oluşturmamasını sağlayan altı engel vardır.

Tüm bu altı engel birlikte çalışır ve etkileri çarpan etkisiyle artar. Yani bir saldırganın hepsini aynı anda aşması gerekir; bu da güvenliği çok daha güçlü kılar.
 

Lazer hata enjeksiyonu araştırmalarının asıl amacı

Bir çipte başarılı bir saldırıyı belgeleyen araştırmalar aslında onları iki şekilde daha güvenli hale getirir. Birincisi, çip üreticilerini sonraki silikon revizyonlarında önlemleri geliştirmeye zorlar.

İkincisi, yayımlanan saldırı yöntemleri, iyi kaynaklara sahip bir saldırganın neler yapabileceğinin tabanını ve çip tasarımcılarının neye karşı savunma yapması gerektiğini belirler. 

Sonuçlar

Bir donanım cüzdanı kullanıcısı olarak şunları bilmelisiniz:

• Lazer hata enjeksiyonu gerçektir ve işe yarar. Araştırmacılar güvenli çipleri bu şekilde kırmıştır. Pratikte, önce cihazınızın fiziksel olarak çalınması gerekir.
   
• Saldırı başladığında cihazınız gözle görülür şekilde ve kalıcı olarak tahrip olur. Müdahale edildiğini anlarsınız.
   
• Ekipman maliyeti en az 100–200 bin dolardır. Bunu sıradan bir hırsız yapamaz. Ayrıca her çip için haftalarca uzman laboratuvar çalışması gerekir. Bu yöntemle çok sayıda kişiye topluca saldırı yapılamaz.
   
• Saldırı başarısız olabilir ve çip hiçbir veri elde edilmeden tahrip olabilir; bu yüzden saldırgan için de bir risk vardır.
   

Ortalama bir kullanıcıysanız, saldırgan açısından bu saldırının ekonomisi mantıklı değildir. Gerçek tehditleriniz oltalama, zararlı yazılımlar ve seed phrase’inizin açığa çıkmasıdır; popüler bir lazer laboratuvarı değil.

Kaynaklar

• Tam makale (Springer): Breaking Black Box Crypto-Devices Using Laser Fault Injection | Springer Nature Link 

• Fraunhofer AISEC yayın kaydı: Breaking Black Box Crypto-Devices Using Laser Fault Injection 

• Yazarlar: Bjoern Selmke, Endres Strieder, Johann Heyszl, Stefan Freud, Thomas Damm