Nowoczesne szyfrowanie, takie jak AES-256, uchodzi za praktycznie nie do złamania. Jednak zespół naukowców z Instytutu Łączności – Państwowego Instytutu Badawczego dowiódł, że nawet najlepszy algorytm nie gwarantuje bezpieczeństwa, jeśli fizyczna implementacja urządzenia ujawnia informacje o przetwarzanych danych. Badacze dr hab. inż. Paweł Rosa i mgr Daniel Waszkiewicz przeprowadzili eksperymenty na układzie FPGA, które wykazały obecność tzw. wycieków kanałami bocznymi.
Kanały boczne – niewidzialny wróg kryptografii
Ataki kanałami bocznymi nie polegają na łamaniu matematyki szyfru. Wykorzystują one uboczne efekty pracy układu, takie jak chwilowe zmiany poboru prądu czy emisja elektromagnetyczna. Można to porównać do obserwacji sejfu – nie znamy kombinacji, ale analizując dźwięki i drgania, możemy wywnioskować, co dzieje się w środku. W elektronice odpowiednikiem tych sygnałów są fizyczne ślady operacji kryptograficznych.
Badanie przeprowadzono na platformie ChipWhisperer CW305 z układem Xilinx Artix-7. Rdzeń AES-256 celowo pozbawiono zabezpieczeń, takich jak maskowanie czy losowanie kolejności operacji. Zarejestrowano po 20 tysięcy przebiegów dla każdego kanału pomiarowego – poboru energii i emisji elektromagnetycznej. Zastosowano metodę TVLA zgodną z normą ISO/IEC 17825, która wykrywa statystyczną zależność między danymi a fizycznym zachowaniem układu.
Wyniki: wyciek w obu kanałach
Analiza wykazała istotne przekroczenia progu statystycznego w obu kanałach. W przypadku poboru energii odnotowano 84 punkty czasowe, a dla emisji elektromagnetycznej – 10 punktów. Co ważne, przekroczenia występowały w tych samych miejscach w dwóch niezależnych połowach danych, co potwierdza spójność wyników. Nie oznacza to jednak, że klucz został złamany – to jedynie sygnał, że implementacja nie spełnia kryteriów odporności i wymaga dodatkowych zabezpieczeń.
Jak podkreślają autorzy, badanie nie podważa bezpieczeństwa samego algorytmu AES-256. „TVLA jest testem przesiewowym. Wykrywa, że urządzenie zdradza informacje zależne od danych, ale nie wskazuje automatycznie, jaka wartość wycieka” – tłumaczą naukowcy. Aby odzyskać klucz, potrzebne byłyby bardziej zaawansowane techniki, jak analiza korelacyjna czy różnicowa.
Konsekwencje dla urządzeń codziennego użytku
Problem dotyczy wielu urządzeń, które przechowują tajne klucze poza kontrolą właściciela: kart płatniczych, portfeli kryptowalut, tokenów uwierzytelniających, zamków elektronicznych, liczników inteligentnych czy czujników IoT. Wszystkie one mogą paść ofiarą ataków fizycznych, jeśli przeciwnik zdobędzie egzemplarz i podda go szczegółowej analizie. Szczególnie niebezpieczne jest stosowanie tego samego klucza w wielu urządzeniach – wtedy jeden wyciek może zagrozić całej flocie.
Producenci mogą przeciwdziałać na kilka sposobów: poprzez maskowanie danych, losowanie kolejności operacji, ekranowanie elektromagnetyczne, filtrowanie zasilania czy indywidualne klucze dla każdego egzemplarza. Każde z tych rozwiązań wiąże się jednak z dodatkowymi kosztami, zużyciem energii i spadkiem wydajności, co jest szczególnie istotne w przypadku masowo produkowanych urządzeń IoT.
Badanie IŁ-PIB pokazuje, że bezpieczeństwo nie kończy się na algorytmie. Konieczne jest projektowanie i testowanie całego produktu pod kątem odporności na fizyczne ataki. Dla użytkowników oznacza to, że nie każde urządzenie z silnym szyfrem jest automatycznie bezpieczne. Dla konstruktorów – że silny zamek to dopiero początek; trzeba jeszcze zadbać, by mechanizm nie podpowiadał kombinacji komuś, kto umie bardzo uważnie słuchać.
Źródło: Paweł Rosa, Daniel Waszkiewicz, „Side-Channel Leakage Assessment of an FPGA-Based AES-256 Implementation Using TVLA”, Electronics 2026, 15, 3306, DOI: 10.3390/electronics15153306.
Źródło: Instytut łączności
Fot. gov.pl
