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2017年3月18日 星期六

使用"旁通道攻擊"攻擊腳踏車

Bob 和Alice 兩位都是T大的學生,Alice 暗戀Bob 已久,發現Bob 下課在校園間移動,都騎著他那台紅色小腳踏車。Alice 於是心生一計:如果她偷走Bob 的腳踏車,Bob 下課找不到腳踏車的時候,她就能騎著腳踏車出現在Bob 身邊,好心載他一程,以拉近兩人的關係
問題是Bob 的腳踏車用了密碼鎖,想要破解或試出密碼,或找到大剪剪斷塑膠的部分都不是那麼容易的事,那到底該如何解開密碼鎖,偷走腳踏車呢?

這時Alice 靈機一動,想起上週在聽密碼學導論時,教授提到有關旁通道攻擊(Side Channel Attack, SCA)的內容,為何不能利用旁通道攻擊來破解密碼鎖呢?
所謂旁通道攻擊,就是不正攻防禦系統中最強的部分,像是用暴力法直接試密碼鎖10,000 種不同的組合,或者拿大剪直接斷塑膠的部分,前者要試很久,後者有點太明目張膽了;反之旁通道攻擊從每次加解密時流出來的資訊,推敲出金鑰全部或部分,從1996年Kocher那篇 Timing attacks on implementations of Diffie-Hellman發表至今,無論從電源消耗、近場輻射,甚至聲音,旁通道攻擊攻破無數數學上完全的密碼系統,那麼腳踏車呢?

前情提要到此:
理論還滿簡單的,密碼鎖上有4個0-9的數字,上鎖之後要把數字撥亂,其他人才猜不到真正的密碼;可是,撥亂這件事-或稱亂數產生器-卻不一定有被認真對待。
Bob 上鎖時,可能大手一轉就以為鎖好了,很可能4個數字轉盤裡面有2到3個都是一起轉的,或者因為Bob 是右撇子,都用右手向右撥,也因此,只要持續記錄Bob 每次鎖車時轉盤上的數字,就可以推測出密碼的數值
這是Alice 努力不懈每天記下Bob 停腳踏車後密碼鎖的數值:
1752 4852 5941 5652 4869 4830 5941 4841
其實結果還滿明顯的,轉的數值真的跟習慣有關,甚至多次轉出一樣的數字,我光用看的都能看出來ABCD 四個數字間的關係,AB 差4 (B-A),CD差7 (D-C),BC 比較看不出來,但算眾數的話是差8,如果有更多筆資料就能更精準的看出關係,這可能是我習慣上會四個一起轉之後,CD兩位再轉一些,導致BC差值通常不固定。
由上猜測,腳踏車的密碼可能是 0429,以及四個數字一起轉的其他結果:1530, 2641……9318,很不巧,0429真的是Bob 的腳踏車鎖密碼。

試過其他解法,例如假設真正的密碼是ABCD,觀察到的數值是A’B’C’D’,個別數字的距離:X-X’ 應該會相當接近才對,我寫了個小程式去算 0000-9999 取 X-X’ 的標準差,然後算所有測試結果的標準差總合,愈小的愈可能是答案。
後來發現這招沒用,例如密碼0000 被轉成 6688,這樣比起正確的密碼0000,0011這個錯誤解在這個算法下就會勝過0000。

無論如何,記錄了8組數據就能把10,000組密碼組合縮減到10 組,旁通道攻擊果然有用啊。
可惜後來Bob 發現腳踏車不見了,就跑去借公共腳踏車(NT)Ubike,功敗垂成不禁讓Alice 感嘆:偷得走心上人的腳踏車,卻偷不走他的心。

反思:
* 人類其實不是一個很好的亂數產生器,就如上面的例子,轉盤轉的數字看似亂數,其實隱藏了內部規則,就像現在請人在1到100中選一個數,大家通常認為人腦選的數字是亂的,其實受限一些人腦的想法,我想結果應該也不是<真的>亂數;另外,依照人的習慣,轉出來的數字,通常也不會跟原有密碼重複,由這也會流出一些線索。
* 如果要比較安全的腳踏車鎖,請使用鑰匙鎖,密碼鎖上鎖都該用真的亂數產生器產生密碼,或者每次轉密碼不能偷懶,一格一個好好的亂轉。
其實,每次上鎖都把它轉成 0000 也是不錯防範方式XD
* 其實我不確定有沒有更好的攻擊方法,只能從數字的規則中推敲出密碼間的關係,但資料量一多關係就很明顯了,這也是統計的效應:資料的數量才是重點,就算裡面垃圾很多,透過大量資料也能篩出有意義的資訊,某種程度上來說,統計或Big Data 也是從垃圾裡淘出黃金,算是現代的回收業吧XD。

後記:
其實幾個月前,我鑰匙型的車鎖不見了,換了新的密碼鎖,多轉了幾次之後,想到這個點子。本篇文中的例子,都是這一個星期來,每次停腳踏車時就記錄一次,累積一個星期的資料就猜出密碼了。當然文中提到的密碼也是真的,只是我現在已經換了一個,所以大家要是看到我的小紅,就別用文中的密碼去試了。
也要提醒大家,如果看到有人在看你腳踏車密碼鎖,而且過幾天又看到他,很可能他就是要對你的腳踏車實施旁通道攻擊,腦袋中一定響個警鈴:「噹噹,你的腳踏車正遭受攻擊」,一定要記得換個密碼。

不過話說回來,我猜直接搬走腳踏車比這個方法容易多了。
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