G.O.S.S.I.P 阅读推荐 2023-12-13 LED出卖了你（的key）

2023年6月（彼时新一轮的巴以冲突尚未爆发）有一则来自以色列安全研究人员Ben Nassi的研究结果吸引了大家的关注：通过观察计算机上的LED灯闪烁（上了年纪的计算机用户是不是都有盯着机箱上不停闪烁的硬盘LED灯，听着马达的机械振动声，等待Windows 9x的蓝天白云启动画面显示的共同记忆？）来推测出CPU上正在运行的密码学算法所使用的密钥。这项研究工作在BH USA 2023和DEF CON 31上报告之后，以研究论文的形式在今年的CCS会议上正式出版，今天我们就来介绍一下这篇名为Optical Cryptanalysis: Recovering Cryptographic Keys from Power LED Light Fluctuations的论文。

首先要说一下论文的第一作者Ben Nassi，这个家伙从2017年开始就在研究通过各种侧信道方式“窥探”密码学核心机密的方法。他的个人主页（https://www.nassiben.com/ 非常土炮的风格？）上有他发表的一系列研究工作的列表（其中好几篇都是和图灵奖得主Adi Shamir合作完成）。回到最新的这篇论文，作者提出了一种新型的侧信道密码学分析技术——optical cryptanalysis，也就是利用光学信号（具体来说就是观察机箱上LED灯的闪烁）来辅助推测出当前执行的密码算法使用的密钥。看到这里，喜欢在机箱里面外面配饰各种花里胡哨跑马灯的千禧一代，你们害怕吗？

当然，本文所讨论的攻击要在一定的前提下才能实现：首先是要求CPU上执行的密码算法代码有一点点缺陷——在不同的密钥取值时呈现出不同的功耗，实际上此前已经有很多文章讨论了这类实现问题，下表中提到的Minerva attack、Acoustic cryptanalysis和HertzBleed漏洞其实都涉及类似的实现，本文提出的optical cryptanalysis也只是针对了存在下表中这几类问题的密码代码实现；其次是需要攻击者用一个光电二极管去直接测量LED灯（可能是电源LED灯，也可能是外设的LED灯），如果遇到电脑放在桌子底下看都看不到，这种攻击肯定是无效的。在满足这两个条件的情况下，作者在下表中记录了一系列针对电子产品（包括智能手机、树莓派、耳麦、USB hub和读卡器，如下图所示）的攻击，并确认了能够恢复的密钥（这里面很有意思的是还专门测试了微软的后量子密码算法库PQCrypto-SIDH）：

其实早在2002年，通过LED灯泄露信息这种方式已经在论文Information leakage from optical
emanations（发表在ACM Transactions on Information and System Security上）被研究人员讨论过了，作者之所以重新讨论这种侧信道，因为它和传统的电磁辐射、功耗侧信道相比，测量起来更方便（不需要连接一个示波器上去测），和声音（acoustic）侧信道相比，信息传输的带宽更高。作者的实验表明，在距离被攻击的计算机25米开外，就能有效提取密钥，让这种攻击方法看起来颇有一点吸引力。

要开展optical cryptanalysis，需要一个光电二极管（photodiode）来将探测的光信号转为电信号（这个原理在我们今天文章的最后还会再次提到哦），同时攻击的对象可以是计算机本身，也可以是连接的外设（外设本身并不包含CPU），也就是说，各种LED都会因为CPU的功耗变化而一起闪烁（嗯听上去就很汪淼对不对）。实际上作者还定量测算了一下各类设备LED的信息泄露带宽（下表展示了各种LED的信息泄露信噪比也就是SNR），可以看到有一个很有趣的现象——外接USB Hub的LED灯实际上放大了信息泄露的信号（也就是有更高的SNR），这对攻击者来说是非常友好的！

作为严谨的科学研究，作者还定量分析了各种干扰因素对optical cryptanalysis的影响，例如随着观测距离的增加，攻击者获取信息的能力是如何下降的；以及在不同的环境光线下收集信息，可能受到的干扰，如下图所示，自然光线对本文的攻击影响不大，但是人造光源（例如日光灯也就是fluorescent tube）在特定情况下会比较严重地干扰optical cryptanalysis（也算是一种防护？）

最后用一张表概括下作者的密钥提取实验：

说到这里，其实编辑部今天想给大家推荐另一个研究工作，也就是这几年非常热门的中微子探测实验。有一本科普读物《湿婆之舞》（吐槽一下这个中文译名，和英文书名有啥关系？）就介绍了好几个中微子探测实验，其中让编辑部最为惊叹的是在贝加尔湖湖底进行的中微子观测实验。和我们今天介绍的这个攻击比起来，中微子观测实验要在贝加尔湖水面下1000米监测40万亿吨湖水，期待有（一个）来自宇宙深处的中微子（从地球另一侧穿过整个地球，然后经过湖底穿出地表）和某个水分子发生碰撞而产生切伦科夫辐射并发出蓝光。你可不要以为贝加尔湖这么大的湖泊能够经常“拦截”到宇宙高能中微子，想象一下你伸出手掌，每秒钟有一万亿个太阳中微子穿过而不和你的手发生任何相互作用，更不要说数量更少的宇宙高能中微子，就能理解为什么要拿占到了全球淡水总量20%的贝加尔湖来做这个实验了。一个来自宇宙深处的中微子，可能经历了成千上万年的旅程，躲开了各种物质相互作用，最后在穿越地球时，和贝加尔湖的某个水分子（中的原子核）撞击而发出一道微弱的蓝光，被水面下日以继夜的228个光电倍增管探测器观察到，这是何等的浪漫！ 我们人类竟然可以通过这么微小的事件推测和理解整个宇宙的奥秘，那么从一盏LED灯上恢复密钥，也并非什么不可能之事了。

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论文：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3576915.3616620

原文始发于微信公众号（安全研究GoSSIP）：G.O.S.S.I.P 阅读推荐 2023-12-13 LED出卖了你（的key）