コールドブート攻撃

コンピュータセキュリティにおいて、コールドブート攻撃（または、程度は低いがプラットフォームリセット攻撃）は、コンピュータに物理的にアクセスできる攻撃者がターゲットマシンのハードリセットを実行してコンピュータのランダムアクセスメモリ（RAM）のメモリダンプを実行するサイドチャネル攻撃の一種です。通常、コールドブート攻撃は、悪意のある目的または犯罪捜査の目的で、実行中のオペレーティングシステムから暗号化キーを取得するために使用されます。 ^{[1] [2] [3]}この攻撃は、DRAMとSRAMのデータ残留特性を利用して、電源スイッチを切った後も数秒から数分で読み取り可能なままのメモリ内容を取得します。 ^{[2] [4] [5]}

実行中のコンピュータに物理的にアクセスできる攻撃者は、通常、マシンをコールドブートし、リムーバブルディスクから軽量のオペレーティングシステムを起動して、起動前の物理メモリの内容をファイルにダンプすることによって、コールドブート攻撃を実行します。^{[6] [2]}その後、攻撃者は、さまざまな形式のキー検索攻撃を使用して、メモリからダンプされたデータを自由に分析し、キーなどの機密データを見つけることができます。^{[7] [8]}コールドブート攻撃はランダムアクセスメモリをターゲットにするため、フルディスク暗号化スキームは、信頼できるプラットフォームモジュールがインストールされていても、この種の攻撃に対しては効果がありません。^[2]これは、問題が基本的にハードウェア（安全でないメモリ）であり、ソフトウェアの問題ではないためです。ただし、物理的なアクセスを制限し、ランダムアクセスメモリに機密データを保存しないようにする最新の技術を使用することで、悪意のあるアクセスを防ぐことができます。

DIMM メモリ モジュールは、時間の経過とともに電源が切れるにつれて徐々にデータを失いますが、電源が切れてもすぐにすべてのデータが失われるわけではありません。^{[2]特定のメモリ モジュールでは、}凍結スプレーと液体窒素で冷却することで、攻撃の時間枠を数時間または 1 週間にまで延長できます。さらに、時間の経過とともにメモリ内のビットが消えると、予測可能な方法で消えていくため、再構築できます。^[2]その結果、攻撃者はコールド ブート攻撃を実行して、その内容のメモリ ダンプを実行できます。コールド ブート攻撃を正常に実行できるかどうかは、システム、メモリの種類、メモリの製造元、マザーボードの特性によって大きく異なり、ソフトウェア ベースの方法やDMA 攻撃よりも実行が難しい場合があります。^[9]現在の研究の焦点はディスク暗号化にありますが、メモリに保存されている機密データはすべて攻撃に対して脆弱です。^[2]

攻撃者は、ターゲットマシンを強制的に突然再起動し、USBフラッシュドライブ、CD-ROM、またはネットワーク経由でプリインストールされたオペレーティングシステムを起動することで、コールドブート攻撃を実行します。^[3]ターゲットマシンをハードリセットすることが現実的でない場合は、攻撃者は代わりに元のシステムからメモリモジュールを物理的に取り外し、攻撃者の制御下にある互換性のあるマシンにすばやく配置し、そのマシンを起動してメモリにアクセスします。^{[2]その後、} RAMからダンプされたデータに対してさらに分析を実行できます。

同様の種類の攻撃は、メモリからデータを抽出するためにも使用される。例えば、FireWireなどの高速拡張ポートを介して物理メモリにアクセスできるようにするDMA攻撃などである。^[3]ハードウェア損傷のリスクが高い場合など、特定の場合にはコールドブート攻撃が好まれることがある。高速拡張ポートを使用すると、ショートしたり、場合によってはハードウェアに物理的な損傷を与えたりする可能性がある。^[3]

コールドブーツ攻撃は、通常、デジタルフォレンジック調査、盗難などの悪意のある目的、およびデータ復旧に使用されます。^[3]

場合によっては、コールドブート攻撃は、デジタルフォレンジックの分野で、メモリ内に含まれるデータを犯罪証拠として法医学的に保存するために使用されます。^[3]たとえば、他の手段でメモリ内のデータを保存することが現実的でない場合、コールドブート攻撃を使用して、ランダムアクセスメモリに含まれるデータのダンプを実行することができます。 たとえば、コールドブート攻撃は、システムが保護されており、コンピューターにアクセスできない状況で使用されます。^{[3]ハード ディスクが}フル ディスク暗号化で暗号化されており、ディスクに犯罪行為の証拠が含まれている可能性がある場合にも、コールドブート攻撃が必要になることがあります。 コールドブート攻撃では、メモリにアクセスできるため、実行中のプログラムなど、その時点でのシステムの状態に関する情報が得られます。^[3]

コールドブート攻撃は、攻撃者が悪意を持って金融情報や企業秘密などの暗号化された情報にアクセスするために使用される可能性があります。 ^[10]

コールドブート攻撃の一般的な目的は、ソフトウェアベースのディスク暗号化を回避することです。コールドブート攻撃は、鍵検索攻撃と組み合わせて使用​​すると、トラステッドプラットフォームモジュール（TPM）の安全な暗号プロセッサが使用されている場合でも、さまざまなベンダーやオペレーティングシステムのフルディスク暗号化スキームを回避する効果的な手段であることが実証されています。^[2]

起動前の PINを入力したり、ハードウェアキーがなくてもオペレーティングシステムを起動できるように構成できるディスク暗号化アプリケーションの場合（例： 2要素認証PINやUSBキーなしでTPMを使用する単純な構成のBitLocker）、攻撃の時間枠はまったく制限されません。^[2]

BitLockerのデフォルト構成では、ディスクの暗号化解除にPINも外部キーも必要としないトラステッド プラットフォーム モジュールが使用されます。オペレーティング システムが起動すると、BitLocker はユーザーの介入なしに TPM からキーを取得します。その結果、攻撃者はマシンの電源を入れ、オペレーティング システムが起動を開始するのを待ってから、マシンに対してコールド ブート攻撃を実行してキーを取得できます。このため、デフォルトの BitLocker 実装におけるこの脆弱性を回避するには、プリブート PIN などの2 要素認証や、TPM と共に起動キーを含むリムーバブル USB デバイスを使用する必要があります。 ^{[11] [5]}ただし、この回避策では、攻撃者がメモリから機密データを取得したり、メモリにキャッシュされた暗号化キーを取得したりすることを防ぐことはできません。

コールド ブート攻撃を実行するとメモリ ダンプが簡単に実行できるため、フル ディスク暗号化の暗号化キーなどの機密データを RAM に保存するのは安全ではありません。ランダム アクセス メモリ以外の領域に暗号化キーを保存するためのソリューションがいくつか提案されています。これらのソリューションはフル ディスク暗号化を破る可能性を減らすかもしれませんが、メモリに保存されているその他の機密データは保護されません。

暗号鍵をメモリから排除する 1 つのソリューションは、レジスタベースの鍵ストレージです。このソリューションの実装は、TRESOR ^[12]と Loop-Amnesia ^[13]です。これらの実装は両方とも、オペレーティングシステムのカーネルを変更して、 CPU レジスタ(TRESOR の場合はx86 デバッグ レジスタ、Loop-Amnesia の場合は AMD64 または EMT64 プロファイリング レジスタ) を RAM ではなく暗号鍵の格納に使用できるようにします。このレベルで格納された鍵は、ユーザー空間から簡単に読み取ることはできず^[要出典]、何らかの理由でコンピューターを再起動すると失われます。TRESOR と Loop-Amnesia はどちらも、この方法で暗号トークンを格納するために使用できるスペースが限られているため、オンザフライのラウンド鍵生成を使用する必要があります。セキュリティのため、暗号化または復号化の実行中に CPU レジスタからメモリに鍵情報が漏洩するのを防ぐために割り込みを無効にし、デバッグ レジスタまたはプロファイル レジスタへのアクセスをブロックします。

最新のx86プロセッサには、キーを保存できる可能性のある領域が 2 つあります。1 つはSSEレジスタで、これはすべての SSE 命令 (および必然的にそれらに依存するすべてのプログラム) を無効にすることで実質的に特権にすることができます。もう 1 つはデバッグ レジスタです。デバッグ レジスタははるかに小さいですが、このような問題はありません。

SSEレジスタ方式に基づく「paranoix」と呼ばれる概念実証ディストリビュー ションが開発されました。^{[14]開発者は、「} AES-NIをサポートする64ビットCPUでTRESORを実行すると、 AESの一般的な実装と比較してパフォーマンスの低下はありません」と主張しています。[ ¹⁵ ]キーの再計算が必要であるにもかかわらず、標準的な暗号化よりもわずかに高速に実行されます。^[12] TRESORと比較したLoop-Amnesiaの主な利点は、複数の暗号化ドライブの使用をサポートしていることです。主な欠点は、32ビットx86をサポートしていないことと、AES-NIをサポートしていないCPUでのパフォーマンスが低下することです。

「凍結キャッシュ」（「RAMとしてのキャッシュ」とも呼ばれる）^[16]は、暗号化キーを安全に保存するために使用できます。これはCPUのL1キャッシュを無効にしてキーの保存に使用しますが、これによりシステム全体のパフォーマンスが大幅に低下し、ほとんどの用途では遅すぎる可能性があります。^{[17] [より良いソースが必要]}

同様のキャッシュベースのソリューションは、Guanら(2015) ^[18]によって提案されており、WB(ライトバック)キャッシュモードを採用してデータをキャッシュに保持し、公開鍵アルゴリズムの計算時間を短縮します。

IEEE S&P 2015 のMimosa ^[19]は、コールドブート攻撃や DMA 攻撃に対する公開鍵暗号計算のより実用的なソリューションを発表しました。このソリューションは、マルチスレッド アプリケーションのパフォーマンスを向上させる投機的メモリ アクセス メカニズムとして最初に提案されたハードウェア トランザクション メモリ (HTM) を採用しています。HTM が提供する強力なアトミック性保証は、機密データを含むメモリ空間への不正な同時アクセスを阻止するために利用されます。RSA 秘密鍵は、TRESOR によって保護されている AES 鍵によってメモリ内で暗号化されます。要求に応じて、RSA 秘密鍵の計算が HTM トランザクション内で実行されます。秘密鍵は最初にメモリに復号化され、次に RSA 復号化または署名が実行されます。プレーン テキストの RSA 秘密鍵は HTM トランザクションで変更されたデータとしてのみ表示されるため、これらのデータに対する読み取り操作を行うとトランザクションが中止され、トランザクションは初期状態にロールバックされます。RSA 秘密鍵は初期状態では暗号化されており、書き込み操作 (または AES 復号化) の結果であることに注意してください。現在、HTM はキャッシュまたはストア バッファに実装されていますが、どちらも外部 RAM チップではなく CPU 内にあります。そのため、コールド ブート攻撃は防止されます。Mimosa は、メモリから機密データを読み取ろうとする攻撃 (コールド ブート攻撃、DMA 攻撃、その他のソフトウェア攻撃を含む) に対抗し、わずかなパフォーマンス オーバーヘッドしか発生しません。

ベストプラクティスとしては、使用していないときは暗号化された非システムディスクをアンマウントすることが推奨されています。これは、ほとんどのディスク暗号化ソフトウェアが、使用後にメモリにキャッシュされたキーを安全に消去するように設計されているためです。 ^[20]これにより、攻撃者がコールドブート攻撃を実行してメモリから暗号化キーを回収できるリスクが軽減されます。オペレーティングシステムのハードディスク上の暗号化された情報へのアクセスを最小限に抑えるには、使用していないときはマシンを完全にシャットダウンして、コールドブート攻撃が成功する可能性を減らす必要があります。^{[2] [21]}ただし、マシンの物理 RAM デバイスによっては、データが数十秒から数分間読み取り可能なままになる場合があり、攻撃者がメモリから一部のデータを取得できる可能性があります。スリープモードを使用する代わりに、使用していないときにシャットダウンまたは休止状態になるようにオペレーティングシステムを構成すると、コールドブート攻撃が成功する可能性を軽減できます。

通常、コールドブート攻撃は、攻撃者のコンピュータへの物理的アクセスを制限するか、攻撃の実行を困難にすることで防止できます。1つの方法は、メモリモジュールをマザーボードにはんだ付けまたは接着して、ソケットから簡単に取り外して攻撃者の管理下にある別のマシンに挿入できないようにすることです。^[2]ただし、これでは、攻撃者が被害者のマシンを起動し、取り外し可能なUSBフラッシュドライブを使用してメモリダンプを実行することを防ぐことはできません。UEFIセキュアブートや同様のブート検証アプローチなどの緩和策は、攻撃者がカスタムソフトウェア環境を起動して、はんだ付けされたメインメモリの内容をダンプするのを防ぐのに効果的です。^[22]

ランダムアクセスメモリ（RAM）を暗号化すると、攻撃者がコールドブート攻撃によってメモリから暗号化キーやその他の資料を取得する可能性が軽減されます。このアプローチでは、オペレーティングシステム、アプリケーション、またはハードウェアの変更が必要になる場合があります。ハードウェアベースのメモリ暗号化の一例は、 Microsoft Xboxに実装されています。^{[23]新しいx86-64ハードウェアへの実装は、AMDおよびIntel} Willow Cove以降から入手できます。

ソフトウェアベースのフルメモリ暗号化は、キーマテリアルがメモリに公開されない点でCPUベースのキーストレージに似ていますが、すべてのメモリコンテンツが暗号化されるため、より包括的です。一般的に、オペレーティングシステムによって即時に復号化され読み取られるのは、直近のページのみです。^{[24]ソフトウェアベースのメモリ暗号化ソリューションの実装には、} PrivateCoreの商用製品^{[25] [26] [27]と、} TRESORと同様の方法でメモリ内のデータを暗号化し、暗号化キーをCPUレジスタに格納するLinuxカーネルのカーネルパッチであるRamCryptがあります。^{[12] [24]}

VeraCryptバージョン1.24以降では、キーとパスワードのRAM暗号化をサポートしています。^[28]

最近では、セキュリティが強化されたx86およびARMコモディティプロセッサの可用性を強調した論文がいくつか発表されています。^{[29] [30]} その研究では、ARM Cortex A8プロセッサが、完全なメモリ暗号化ソリューションが構築される基盤として使用されています。プロセスセグメント（スタック、コード、ヒープなど）は、個別に、またはまとめて暗号化できます。この研究は、汎用コモディティプロセッサ上での完全なメモリ暗号化の実装としては初めてのものです。このシステムは、CPU境界外のあらゆる場所で暗号化されたコードとデータの機密性と整合性の両方の保護を提供します。

コールドブート攻撃は暗号化されていないランダムアクセスメモリをターゲットにするため、1つの解決策は、使用されなくなったメモリから機密データを消去することです。この特定の攻撃に対する業界の対応である「TCGプラットフォームリセット攻撃緩和仕様」 ^{[31]は、オペレーティングシステムが正常にシャットダウンされていない場合、} POST中にBIOSにメモリの上書きを強制します。ただし、メモリモジュールをシステムから取り外し、これらの対策をサポートしていない攻撃者の制御下にある別のシステムで読み戻すことで、この対策を回避することができます。^[2]

効果的なセキュア消去機能は、電源が遮断された場合、M-2 および SATAx ポート上のデータを暗号化するセキュア BIOS およびハード ドライブ/SSD コントローラと連携して、電源が失われる 300 ミリ秒未満で RAM を消去することです。RAM 自体にシリアル プレゼンスやその他のデータが含まれていず、タイミングが BIOS に保存され、変更にはハードウェア キーを必要とする何らかのフェイルセーフが備わっている場合、データの回復はほぼ不可能であり、TEMPEST攻撃、Man-in-the-RAM、その他の侵入方法に対しても耐性があります。^{[要出典] [32]}

Tailsなどの一部のオペレーティングシステムでは、コールドブート攻撃を軽減するために、オペレーティングシステムのシャットダウン時にシステムメモリにランダムデータを安全に書き込む機能を提供しています。^[33]ただし、ビデオメモリの消去はまだ不可能であり、2022年現在、Tailsフォーラムでまだオープンチケットとなっています。^[34]この欠陥を悪用する可能性のある攻撃は次のとおりです。

• GnuPGキーペアを生成し、テキストエディタで秘密鍵を表示すると、キーが復元される可能性があります。^[35]
• 暗号通貨のシードが見られるため、ウォレットをバイパスして（暗号化されていても）資金にアクセスできるようになります。^[要出典]
• 可視性を有効にしてパスワードを入力すると、パスワードの一部またはキー全体が表示される場合があります。キーファイルを使用すると、パスワード攻撃に必要な時間を短縮するためにキーファイルが表示される場合があります。
• マウントまたは開かれた暗号化ボリュームの痕跡が、もっともらしい否認可能性とともに表示され、それらの発見につながる可能性があります。
• .onionサービスに接続している場合はURLが表示され発見される可能性がありますが、そうでない場合は発見が非常に困難です。^{[36] [37]}
• 特定のプログラムの使用状況から、ユーザーのパターンが明らかになる場合があります。たとえば、ステガノグラフィープログラムが使用されて開かれた場合、ユーザーがデータを隠しているという推測が成り立ちます。同様に、インスタント メッセンジャーが使用されている場合、連絡先やメッセージのリストが表示される可能性があります。

攻撃を受けているハードウェアにキーが保存されていないことを確認することで、コールド ブート攻撃を防ぐことができます。

• ユーザーがディスク暗号化キーを手動で入力する
• 暗号化キーがハードディスク ドライブとは別のハードウェアに保持されている、完全に暗号化された密閉型ハードディスク ドライブを使用します。

メモリスクランブルは、最新のIntel Coreプロセッサの機能として、半導体の望ましくない寄生効果を最小限に抑えるために使用される場合があります。 ^{[38] [39] [40] [41]ただし、スクランブルはメモリコンテンツ内のパターン}の相関を解除する ためにのみ使用されるため、メモリはデスクランブル攻撃によってデスクランブルされる可能性があります。^{[42] [43]}したがって、メモリスクランブルはコールドブート攻撃に対する有効な緩和策ではありません。

スリープ モードでは、この状態でもデータは通常メモリ内に残っているため、コールド ブート攻撃に対する追加の保護は提供されません。したがって、フル ディスク暗号化製品は、キーがメモリ内に存在し、マシンが低電力状態から再開すると再入力する必要がないため、依然として攻撃に対して脆弱です。

BIOSでブートデバイスオプションを制限すると、別のオペレーティングシステムのブートが若干難しくなる可能性があるが、最近のチップセットのファームウェアでは、ユーザーがPOST中に指定されたホットキーを押すことでブートデバイスをオーバーライドできるようになっている。^{[5] [44] [45]}ブートデバイスオプションを制限しても、メモリモジュールをシステムから取り外して別のシステムで読み戻すことを防ぐことはできない。さらに、ほとんどのチップセットには、パスワードで保護されている場合でも BIOS 設定をデフォルトにリセットできる回復メカニズムが用意されている。^{[10] [46]} BIOS設定は、システムの実行中に変更して、メモリの消去やブートデバイスのロックなど、システムによって強制される保護を回避することもできる。^{[47] [48] [49]}

コールドブート攻撃は、Androidスマートフォンでも同様の方法で適応され、実行される可能性があります。^[50]コールドブートは、電話のバッテリーを外して強制的にハードリセットするか、電源ボタンを押し続けることで実行できます。^{[50]次に、}メモリダンプを実行できるオペレーティングシステムイメージがスマートフォンにフラッシュされます。通常、スマートフォンはUSBポートを使用して攻撃者のマシンに接続されます。

通常、Androidスマートフォンは、携帯電話がロックされているときにランダムアクセスメモリから暗号化キーを安全に消去します。 ^[50]これにより、攻撃者が携帯電話に対してコールドブート攻撃を実行することに成功した場合でも、メモリからキーを取得できるリスクが軽減されます。

• 忘れてはならないこと: YouTubeの暗号化キーに対するコールド ブート攻撃
• McGrew Securityの概念実証
• 科学者が携帯電話を凍結してAndroid端末の暗号を解読
• Skorobogatov, Sergei (2002 年6月)。「静的 RAM の低温データ残留」。ケンブリッジ大学。doi : 10.48456 /tr-536。2008年 2 月 27 日閲覧。