用于電子護照的非接觸安全控制器

文章出處：http://www.mjagi.com 作者：Calvin Lee 等   人氣： 發(fā)表時間：2011年12月02日

在2006年10月26日之后通過美國免簽證計劃(VWP)辦理的任何護照必須是電子護照，這樣就可以免簽證進入美國。電子護照是集成了非接觸安全控制器的護照，其中保存了印制在護照紙面上的相同信息，包括持有者的名字、出生日期，以及其他生平信息。這些電子護照必須符合由國際民航組織(ICAO)制定的國際技術(shù)標準，該組織規(guī)定要求在安全控制器上保存安全等級和生物信息。VWP是推動電子護照實施的主要動力，從2006年11月開始，大約有33個國家推出或開始推行電子護照。 
     
　　隨著電子護照的實施，也出現(xiàn)了很多公開討論非接觸控制器用于電子護照的安全性問題。市場上存在三種主要的“非接觸”芯片：“純粹”的RFID芯片，標準的微控制器和非接觸安全控制器。“純粹”的RFID芯片主要用于對象識別，不包含微控制器。因此，就安全性和功能來講，僅僅適合他們當前所使用的場合。配置適當射頻接口的標準微控制器可以用于非安全性的非接觸應(yīng)用，但是與“純粹的”RFID芯片一樣，他們的使用并不適合個人身份文件。只有設(shè)計得當?shù)姆墙佑|安全控制器才能滿足電子護照應(yīng)用的數(shù)據(jù)安全和隱私保護的高要求。 
     
　　對于用于電子護照的半導體芯片來說，它必須保護存儲在其中的數(shù)據(jù)不受非法篡改。電子護照對非接觸安全控制器的通常規(guī)范要求包括： 
     
　　1. 低功率非標準CPU內(nèi)核；    
　　2. 超過64K字節(jié)的安全EEPROM用于應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；    
　　3. 在25攝氏度下，EEPROM每個頁面的可擦寫次數(shù)至少大于500,000次；    
　　4. 支持ISO/IEC 14443標準的B類和A類非接觸接口；     
　　5. 經(jīng)過驗證的真正隨機數(shù)發(fā)生器，支持AIS-31要求；    
　　6. 雙密鑰三倍DES加速器支持對稱DES算法；      
　　7. 先進的加密引擎支持非對稱的RSA和橢圓形曲線算法；    
　　8. 符合CC EAL 5+的通用標準認證，支持BSI-PP-0002保護規(guī)范。 
     
　　另外，芯片制造商的目標是設(shè)立防范多種威脅的有效、經(jīng)過測試和認證的措施，這些威脅可以劃歸為三個主要的類別：故障誘導型攻擊、物理型攻擊和旁路攻擊。  

　　故障誘導型攻擊 
     
　　當今對智能卡的攻擊已經(jīng)發(fā)展成某種‘藝術(shù)性的行為’，這種行為的發(fā)起者在全球數(shù)以千計，從業(yè)余的到真正的專業(yè)人士。因此，“故障誘導攻擊”(也稱為“半入侵式攻擊”)已經(jīng)成為安全評估和安全控制器認證的一個主要關(guān)注焦點。 
     
　　用作智能卡控制器的集成電路通常是由硅晶片制成。硅片的電氣性能可能會受到不同的環(huán)境參數(shù)影響。例如，對于不同的電壓、溫度、光線、電離輻射以及電磁場，硅片的電氣特性會不一樣。改變這些環(huán)境參數(shù)，攻擊者就會嘗試引起故障，包括智能卡控制器中的程序錯誤。通常，攻擊者會想辦法讓芯片做出一個錯誤的判斷(例如，接受一個錯誤的登錄授權(quán)碼)，從而允許訪問存儲器中保存的秘密數(shù)據(jù)。 
     
　　另外一個有趣的變量是“存儲器轉(zhuǎn)存”(memory dump)—而不是泄露非秘密的身份數(shù)據(jù)，在故障誘導攻擊之后，安全控制器會輸出非常多的數(shù)據(jù)，包括部分的軟件、機密數(shù)據(jù)，或者甚至存儲的密鑰。使用“DFA”(差分錯誤攻擊法)，在某些情況下只要一次故障計算，攻擊者就能通過使用成熟的數(shù)學算法獲得密鑰。 
     
　　已知誘導故障的各種方法包括變化功耗、電磁誘導、利用可見光輻射芯片表面，或者使用放射性材料輻射芯片表面以及改變溫度。其中一些方法可以利用低成本的設(shè)備實現(xiàn)，使得他們成為業(yè)余攻擊者的理想選擇。 

　　攻擊者試圖誘導故障以獲得機密信息 
     
　　盡管當前的安全控制器的產(chǎn)品手冊中已經(jīng)給出了防范這些攻擊方法的措施，但是只有測試才能驗證這些防范措施在實際使用中是否有效。由于這些控制器的性能可能有非常大的不同，因此通過獨立的評估和認證檢驗安全等級就非常重要。當前電子護照中使用的芯片在他們正式被確定使用之前，就需要通過全面的安全測試，但是這些安全測試的標準對于各國所使用的不同系統(tǒng)來說會有所不同。 
     
　　從不同的觀點來看，針對故障誘導攻擊的各種測試都必須做，以便建立一種相互之間嚴格的依存關(guān)系。目前的芯片卡控制器的安全觀念基于以下三條防范要求： 
     
　　1. 防止故障誘導；       
　　2. 發(fā)現(xiàn)故障誘導條件；  
　　3. 測試安全控制器的故障行為。 
     
　　對電源和輸入信號進行濾波處理將成為第一道屏障。反應(yīng)速度很快的穩(wěn)壓器被用來在特定邊界抑制電壓瞬態(tài)變化。同樣，某些與時鐘源相關(guān)的異?，F(xiàn)象也會被阻止。在利用高電壓變化對安全控制器進行攻擊時，僅憑穩(wěn)壓系統(tǒng)是不能解決這種問題的，傳感器將成為第二道屏障的一部分。如果傳感器檢測到一個環(huán)境參數(shù)的臨界值，將會促發(fā)報警，以將芯片卡設(shè)置到一個安全狀態(tài)。電壓傳感器檢測電源，時鐘傳感器用來發(fā)現(xiàn)頻率的異常，溫度和光傳感器用來檢測光和溫度攻擊。光學攻擊方法也可能在芯片的反面進行，光傳感器對兩面的照射都能起到效果。第三道屏障是通過安全控制器內(nèi)核本身實現(xiàn)的。硬件防范措施結(jié)合軟件的措施來實現(xiàn)有效的第三道防范屏障。軟硬件的組合是很必要的，純軟件的防范措施某些時候反而會成為故障攻擊的目標。 
  
　　物理攻擊 
     
　　攻擊者還能以更直接的方式通過硅片上的電路來實施攻擊—例如，將控制器的信號線連接到攻擊者的電子設(shè)備，然后讀出線上傳遞的機密信息，或者將他自己的數(shù)據(jù)注入芯片。為防范物理攻擊，首先很重要的措施是使用芯片內(nèi)部存儲器加密，這意味著存儲在芯片上的數(shù)據(jù)是通過很強的加密算法進行過加密的，因此攻擊者即使能得到這些數(shù)據(jù)，也只能產(chǎn)生無用的信息。另外一方面，有效地保護罩措施也可以防止攻擊。在這種情況下，可以用微米級的保護線覆蓋安全控制器。這些線受到持續(xù)的監(jiān)控，如果這些線相互之間被短路、斷開或損壞，則觸發(fā)報警。使用多種防護措施可以甚至防范那些高水平的攻擊設(shè)備。 
     
　　旁路攻擊 
     
　　攻擊者可以使用旁路方法通過仔細觀察芯片操作的參數(shù)來獲得機密數(shù)據(jù)信息(例如認證密鑰)。在功率分析(SPA—簡單功率分析、DPA—差分功率分析或者EMA—電磁分析)的情況下，攻擊者可以從功耗或發(fā)射的電磁場獲得這種信息，因為功耗和電磁場的大小會隨芯片內(nèi)操作類型和處理數(shù)據(jù)的變化而變化。利用“時序攻擊”方法可以分析操作的時間，因為根據(jù)所處理的數(shù)據(jù)或者所使用的密鑰時序可能會有變化，從而被用來實施有效的攻擊。為防范旁路攻擊，可以在芯片內(nèi)實現(xiàn)各種措施，包括隨機等待狀態(tài)、總線加擾和電流加擾等。這樣的措施可以使攻擊者得到的信息無效，這樣機密數(shù)據(jù)上承載的信息就不會泄露。  
     
　　對不同的攻擊方法和防范措施的研究將一直持續(xù)下去。現(xiàn)在必須考慮到未來的攻擊情形，通過設(shè)計新的安全產(chǎn)品能防范未來的攻擊，這將最終確保用于電子護照的非接觸控制器無論是現(xiàn)在還是未來都是安全的。 

作者：
Calvin Lee
識別技術(shù)市場經(jīng)理
Peter Laackmann
產(chǎn)品安全負責人
Marcus Janke
產(chǎn)品安全高級專家
英飛凌科技公司