ハードウェア障害によりコンピュータのセキュリティが侵害される

ハードウェア障害によって侵害されたコンピュータセキュリティは、ハードウェアに適用されるコンピュータセキュリティの分野です。コンピュータセキュリティの目的には、情報や財産を盗難、破損、自然災害から保護すると同時に、対象ユーザーが情報や財産にアクセスして生産的に使用できるようにすることが含まれます。^[1]このような秘密情報はさまざまな方法で取得できます。この記事では、ハードウェアの誤用やハードウェア障害によるデータの取得に焦点を当てています。ハードウェアは、秘密データを取得するために悪用または悪用される可能性があります。この記事では、データ盗難につながる可能性のある主な攻撃の種類をまとめています。

コンピュータのセキュリティは、キーボード、モニター、プリンターなどのデバイス（電磁波や音響放射などによる）や、メモリ、ネットワーク カード、プロセッサなどのコンピュータのコンポーネント（時間や温度の分析などによる）によって構成されます。

モニターは、コンピューター上のデータにアクセスするために使われる主なデバイスです。モニターは周囲のデータを放射または反射し、攻撃者がモニターに表示される情報にアクセスできる可能性があることがわかっています。

ビデオディスプレイユニットは以下を放射します:

• デジタルクロック信号の狭帯域高調波。
• ビデオ信号などのさまざまな「ランダム」デジタル信号の広帯域高調波。^[2]

電磁波によるデータの放送は、機密性の高いコンピュータ アプリケーションにおいて重大な懸念事項となっています。盗聴者は、無線周波数の放射からビデオ画面の内容を再構成することができます。[ ^3]ビデオ信号の各 (放射された) 倍音は、放送されているテレビ信号と驚くほど似ています。そのため、通常のテレビ受信機を使用して、放射された放射からビデオ ディスプレイ ユニットに表示される画像を再構成することができます。^[2]予防措置を講じなければ、通常の白黒テレビ受信機、指向性アンテナ、アンテナ アンプのみを使用して、最大数百メートルの距離からビデオ ディスプレイ ユニットを盗聴することができます。一部のタイプのビデオ ディスプレイ ユニットでは、1 キロメートルを超える距離から情報を盗聴することさえ可能です。より高度な受信および復号化装置を使用すると、最大距離ははるかに長くなります。^[4]

モニターに表示されるものは環境に反映されます。CRTモニターから発せられる光の拡散反射は時間とともに変化し、これを利用すれば元のモニター画像を復元することができます。^[5] これは、現在普及しているLCDモニターを含む任意のコンピューター画面に表示されるデータを遠隔から盗聴する盗聴技術です。

この技術は、画面の近くにあるさまざまな物体に反射した画面の光を利用し、その反射を利用して元の画面の内容を復元します。このような物体には、眼鏡、ティーポット、スプーン、ペットボトル、さらにはユーザーの目も含まれます。この攻撃は、安価な市販の機器（1500ドル未満）を使用して、最大10メートルの距離から小さなフォントでもスパイするのに成功しています。より高価な機器を使用すると、30メートル以上離れた場所からこの攻撃を実行できるため、同様の攻撃が通りの反対側や近くの建物から実行可能であることが実証されています。^[6]

通常の職場にある多くの物体は、部外者がコンピュータのディスプレイ上の情報を取得するために利用することができます。^[7]特に良い結果は、ユーザーの眼鏡の反射や、画面の横の机の上に置かれたティーポットから得られました。ユーザーの目から生じる反射も良い結果をもたらします。しかし、目は動きが速く、長い露出時間を必要とするため、遠くからスパイするのは困難です。より高価な機器を使用して露出時間を短くすると、この問題を解決できます。^[8]

近くにある物体の曲面から集められた反射は、確かに画面に表示されるデータの機密性に重大な脅威をもたらします。正当なユーザーから画面を隠すことなくこの脅威を完全に無効にすることは、窓にカーテンを掛けたり、同様の強力な光学的遮蔽物を使用したりしない限り、難しいと思われます。しかし、ほとんどのユーザーはこのリスクに気付かず、天気の良い日にカーテンを閉めようとしないかもしれません。^[9]物体、つまりコンピューターのディスプレイが曲面鏡に映ると、反射面の後ろに虚像が作られます。平面鏡の場合、この虚像は元の物体と同じサイズで、鏡の後ろの同じ距離にあります。しかし、曲面鏡の場合、状況はより複雑です。^[10]

コンピュータのキーボードは、パスワードなどの機密データを送信するのによく使用されます。キーボードには電子部品が含まれているため、電磁波を発します。この放射により、キーストロークなどの機密情報が漏洩する可能性があります。^[11]電磁放射は、コンピュータ機器に対するセキュリティ上の脅威となることが判明しています。^[9]下の図は、キーストロークの取得方法と必要な資料を示しています。

このアプローチは、生の信号をアンテナから直接取得し、捕捉した電磁スペクトル全体を処理するというものである。この方法により、有線および無線キーボードによって生成される 4 種類の異なる電磁放射が検出されました。これらの放射により、キー入力の完全または部分的な復元が可能になります。最も効果的な攻撃では、壁越しであっても、最大 20 メートルの距離から PS/2 キーボードのキー入力の 95% を完全に復元できました。^[11]各キーボードにはクロック周波数の不一致に基づく固有の指紋があるため、同じモデルの複数のキーボードを同時に使用しても、漏洩のソース キーボードを特定できます。^[12]

電磁放射を弱める 4 つの異なる方法について以下に説明します。

キーが押されたり、放されたり、押し続けられたりすると、キーボードはスキャンコードと呼ばれる情報パケットをコンピュータに送信します。^[13]これらのスキャンコードを送信するために使用されるプロトコルは、Vcc（5ボルト）、グランド、データ、クロックの4本のワイヤに基づく双方向シリアル通信です。^[13]クロック信号とデータ信号は同じように生成されます。したがって、検出された妥協的な放射は、両方の信号の組み合わせです。ただし、データラインとクロックラインのエッジは重なっていません。したがって、それらを簡単に分離して、独立した信号を得ることができます。^[14]

下降エッジ遷移攻撃は、キーストロークの部分的な回復に限られています。これは重大な制限です。^[15] GTTは、ほぼすべてのキーストロークを回復する、改善された下降エッジ遷移攻撃です。実際、2つのトレースの間には、データの立ち上がりエッジが1つだけあります。攻撃者がこの遷移を検出できれば、キーストロークを完全に回復できます。^[15]

電磁放射を損なう高調波は、クロックからの放射、非線形要素、クロストーク、地面の汚染など、意図しない放射から発生します。これらの有害な放射の原因を理論的に判断することは、非常に複雑な作業です。^[16]これらの高調波は、約 4 MHz のキャリアに対応しており、これはキーボード内のマイクロコントローラの内部クロックである可能性が非常に高いです。これらの高調波は、クロック信号とデータ信号の両方と相関しており、変調信​​号 (振幅と周波数) と、クロック信号とデータ信号の両方の完全な状態を表します。つまり、スキャンコードはこれらの高調波から完全に復元できます。^[16]

キーボードメーカーはキーをマトリックス状に配列する。キーボードコントローラは8ビットプロセッサであることが多いが、列を1つずつ解析し、8つのキーの状態を一度に復元する。このマトリックススキャンプロセスは、24列8行に配置された192個のキー（一部のキーは使用されない可能性があり、たとえば最近のキーボードでは104/105個のキーが使用される）として説明できる。^[17]これらの列は、少なくとも3μsの間、1つずつ連続的にパルス送信される。したがって、これらのリードはアンテナとして機能し、電磁放射を生成する可能性がある。攻撃者がこれらの放射をキャプチャできれば、押されたキーの列を簡単に復元できる。この信号が押されたキーを完全に記述していなくても、送信されたスキャンコード、つまり列番号に関する部分的な情報は提供される。^[17]

マトリックススキャンルーチンは連続的にループしていることに注意してください。キーが押されていない場合でも、複数の等間隔のピークで構成される信号が存在します。これらの放射は、電源の入ったコンピュータの存在を遠隔的に検出するために使用できます。ワイヤレスキーボードに関しては、ワイヤレスデータバースト送信を電磁トリガーとして使用して、キーが押されたタイミングを正確に検出し、マトリックススキャン放射を使用してキーが属する列を特定できます。^[17]

一部のテクニックは、一部のキーボードのみを対象にできます。この表は、さまざまな種類のキーボードのキーストロークを見つけるために使用できるテクニックをまとめたものです。

Martin Vuagnoux 氏と Sylvain Pasini 氏は、「有線および無線キーボードの電磁放射の悪化」という論文で、PS/2、USB コネクタ、無線通信を備えた 12 種類のキーボード モデルを、半無響室、小規模オフィス、隣接するオフィス、建物内のアパートなど、さまざまな環境でテストしました。以下の表にその結果を示します。

近年、人間がタイピングする際に発生する放射に対する攻撃が注目を集めています。特に、キーボードの音響放射は、入力されたテキストを再構築するために利用できる情報を漏らす可能性があることが研究で示されています。^[18]

PC キーボード、ノートパソコンのキーボードは、異なるキーから発せられる音を区別することに基づく攻撃に対して脆弱です。^[19]この攻撃は、1 人の人がキーボードで入力した単語 1 つの録音と単語の辞書を含むオーディオ信号を入力として受け取ります。入力された単語は辞書に存在すると想定されます。攻撃の目的は、信号から元の単語を再構築することです。^[20]この攻撃は、ユーザーがキーボードを使用して英語のテキストを入力している 10 分間の音声録音を入力として受け取り、入力された文字の最大 96% を復元します。^[21]この攻撃は、必要な他のハードウェアがパラボラ マイクであるため安価であり、システムへの物理的な侵入を必要としないため非侵襲的です。この攻撃では、押されたキーを認識するためにニューラル ネットワークを使用します。^[19]信号処理と効率的なデータ構造およびアルゴリズムを組み合わせて、キーボードで入力したときに行われたクリックの録音から 7 ～ 13 文字の単語を正常に再構築します。 [ ^18]人間の耳には異なるキーのクリック音が同じように聞こえますが、キーはキーボードプレート上の異なる位置に配置されているため、クリック音はキーごとにわずかに異なる場合があります。^[19]

平均すると、20回のクリックあたり0.5回の誤認識しかなく、この攻撃による盗聴に対してキーボードが脆弱であることを示しています。^[22] この攻撃は非常に効率的で、標準的なPCでは1単語あたり20秒未満で完了します。10文字以上の単語の場合、正しい単語を見つける成功率は90％以上、テストしたすべての単語の成功率は73％です。^[18]実際には、人間の攻撃者は通常、テキストがランダムかどうかを判断できます。攻撃者は、ユーザーがユーザー名とパスワードを入力する機会を特定することもできます。^[23] 7文字以上の単語を含む短い音声信号が検討されました。これは、信号の長さがわずか数秒であることを意味します。このような短い単語は、パスワードとしてよく選択されます。^[18]攻撃の成功に影響を与える主な要因は、単語の長さ、そしてさらに重要なのは、単語内の繰り返し文字の数です。^[18]

これは、キーボードのクリック音の録音から単語を効率的に発見することを可能にする手順です。^[24]最近では、ドットマトリックスプリンターなどの機械装置からの音響放射という別の種類の放射から情報を抽出することが実証されました。^[18]

誰かがキーボードを打つ様子を観察することで個人情報を抜き出すのは簡単な作業に思えるかもしれないが、自動化しなければならない場合は極めて困難になる。しかし、人間が1分間に再現できるのは数文字だけなので、長時間の監視手順や長時間のユーザー活動の場合は自動化ツールが必要となる。論文「ClearShot: ビデオからのキーボード入力の盗聴」では、ユーザーが入力しているビデオのみに基づいて、キーボードで入力されているテキストを自動的に復元する新しいアプローチが紹介されている。^[25]

ユーザーが押したキーを自動的に認識することは、高度な動作分析を必要とする難しい問題です。実験によると、人間が数文を再現するには、ビデオのスローモーション分析に長時間かかることがわかっています。^[26]攻撃者は、被害者の部屋に監視装置を設置したり、カメラの制御ソフトウェアの脆弱性を悪用して既存のカメラを制御したり、被害者が公共の場で作業しているときに、カメラが内蔵された携帯電話をノートパソコンのキーボードに向けたりする可能性があります。^[26]

バルザロッティの分析は、主に 2 つのフェーズに分かれています (下図)。最初のフェーズでは、カメラで録画したビデオをコンピューター ビジョン技術を使用して分析します。ビデオの各フレームについて、コンピューター ビジョン分析によって、押された可能性のあるキーのセット、押されていない可能性のあるキーのセット、およびスペース文字の位置が計算されます。このフェーズの分析結果にはノイズが多いため、テキスト分析と呼ばれる2 番目のフェーズが必要になります。このフェーズの目的は、言語とコンテキストの両方の技術を使用してエラーを除去することです。このフェーズの結果は再構築されたテキストであり、各単語は、可能性の高い順にランク付けされた候補のリストで表されます。^[26]

音響放射を利用すると、英語のテキストを処理するドットマトリックスプリンターが何を印刷しているかを復元する攻撃が可能です。これは、マイクがプリンターに十分近い場合に、プリンターが発する音の記録に基づいています。この攻撃では、プリンターから10cm離れたマイクで、印刷された単語の最大72％を復元し、テキストに関する知識があれば最大95％を復元できます。^[27]

事前のトレーニング段階（下図の「a」）の後、攻撃（下図の「b」）は完全に自動化され、機械学習、オーディオ処理、およびスペクトル特徴、隠れマルコフモデル、線形分類などの音声認識技術を組み合わせて使用​​します。^[5]印刷されたテキストの再構築が機能する基本的な理由は、特定の時間に紙に当たる針の数が多いほど、発せられる音が大きくなることです。^[9]針の数と音響放射の強度には相関関係があります。^[9]

辞書の単語を印刷し、その単語の特徴的な音声特徴を抽出してデータベースに保存するトレーニング段階が実施されました。トレーニングされた特徴的特徴は、印刷された英語のテキストを認識するために使用されました。^[9]しかし、このタスクは簡単ではありません。主な課題は次のとおりです。

1. ドットマトリックス プリンタの音響放射を適切に捉える音響特性を識別および抽出する。
2. 放射の減衰時間の長さによって生じるぼやけた特徴や重なり合った特徴を補正する。
3. 誤って認識された単語を識別して排除し、正しく識別された単語の全体的な割合（認識率）を高めます。^[9]

タイミング攻撃は、システムがさまざまなクエリに応答するのにかかる時間を観察することで、攻撃者がセキュリティシステム内に保持されている秘密を抽出できるようにします。^[28]

SSHは、2 つのホスト間で安全なチャネルを提供するように設計されています。暗号化と認証のメカニズムが使用されているにもかかわらず、SSH には弱点があります。対話モードでは、ユーザーが入力した個々のキーストロークは、キーが押された直後に別の IP パケットでリモート マシンに送信されるため、ユーザーの入力のキーストローク間のタイミング情報が漏洩します。次の図は、SSH 接続を介して処理された コマンドsuを表しています。

非常に単純な統計手法で、ユーザーのパスワードの長さやルートパスワードなどの機密情報を明らかにするのに十分です。ネットワークから収集されたタイミング情報に高度な統計手法を使用することで、盗聴者はSSHセッションでユーザーが入力した内容に関する重要な情報を知ることができます。^[29]キーが押されてからオペレーティングシステムがパケットを送信するのにかかる時間は、キーストローク間のタイミングと比較して一般に無視できるため、盗聴者はパケットの到着時間から、ユーザーが入力したキーストローク間の正確なタイミングを知ることもできます。^[30]

データ残留問題は、RAMや不揮発性メモリセルなどの明らかな領域に影響を与えるだけでなく、ホットキャリア効果（デバイス内の半導体の特性を変える）や、より明らかなメモリセル残留問題と並行して調査されるその他のさまざまな効果を通じて、デバイスの他の領域でも発生する可能性があります。^[31]これらのセルや半導体デバイス全体から、（理論上は）消えているはずのずっと後でもデータを分析して回復することができます。^[32]

エレクトロマイグレーションは、原子を物理的に新しい場所に移動させる（デバイス自体を物理的に変更する）攻撃の一種です。^[31]これは、高電流密度による金属原子の再配置を伴います。これは、原子が「電子風」によって通常の電流とは反対方向に運ばれる現象で、負極にボイド、正極にヒロックとウィスカーが発生します。ボイドの形成により、電流密度とジュール熱（電子と金属イオンの相互作用による熱エネルギーの生成）が局所的に増加し、さらにエレクトロマイグレーション効果が発生します。外部ストレスが除去されると、乱れたシステムは元の平衡状態に戻る傾向があり、その結果、逆流が発生し、エレクトロマイグレーションによる損傷の一部が修復されます。長期的には、これはデバイスの故障を引き起こす可能性がありますが、それほど極端ではない場合、デバイスの動作特性が顕著に変化するだけです。

例えば、ボイドの発生は配線抵抗の増加につながり、ウィスカーの成長は接点の形成と電流漏れにつながります。^[33]エレクトロマイグレーションによるウィスカーの成長を示す導体の例を下図に示します。

ボイド形成を示す一例（この場合は完全な破損につながるほど深刻）を次の図に示します。

一般的な認識とは反対に、現代のコンピュータのほとんどで使用されているDRAMは、電源が切れた後でも室温でも、またマザーボードから取り外された後でも、数秒間は内容を保持します。^[34]

多くの製品は、機器のオペレータが読み取ったり変更したりできない秘密鍵やその他の変数を使用して、暗号化やその他のセキュリティ関連の計算を行います。通常の解決策は、秘密データを改ざん検知エンクロージャ内の揮発性メモリに保存することです。セキュリティプロセッサは通常、秘密鍵の素材をスタティック RAM に保存し、デバイスが改ざんされると電源が切断されます。-20 °C 未満の温度では、SRAM の内容は「凍結」される可能性があります。電源が切断された後、スタティック RAM デバイスがデータを保持する期間を知ることは興味深いことです。低温では、SRAM のデータ保持時間が数秒から数分にまで長くなることがあります。^[35]

Maximillian Dornseif は、これらのスライドで、iPod を使って Apple コンピュータを制御できる手法を紹介しました。攻撃には、まず iPod ソフトウェアを改変して FireWire バスのマスターとして動作させるという一般的な段階が必要でした。その後、iPod を FireWire ポートに接続すると、iPod は Apple コンピュータで完全な読み取り/書き込みアクセスを持つようになりました。^[36] FireWire は、オーディオ デバイス、プリンター、スキャナー、カメラ、GPS などで使用されます。一般に、FireWire で接続されたデバイスは完全なアクセス (読み取り/書き込み) を持ちます。実際、OHCI 標準 (FireWire 標準) は次のように書かれています。

一部の CSR レジスタ (セクション 5.5) への物理読み取り、物理書き込み、ロック要求などの物理要求は、システム ソフトウェアの支援なしにホスト コントローラによって直接処理されます。

—  OHCI 標準

したがって、FireWire で接続されたデバイスは、コンピュータのメモリ上のデータを読み書きできます。たとえば、デバイスは次のことができます。

• 画面の内容を取得します。
• ログイン、パスワードなどの文字列をメモリで検索するだけです。
• 可能性のあるキーマテリアルをスキャンします。
• RAM に保存されている暗号キーを検索します。
• 物理メモリ全体を解析して、論理メモリのレイアウトを理解します。

または

• メモリを台無しにする;
• 画面の内容を変更します。
• 特定のプロセスの UID/GID を変更します。
• プロセスにコードを挿入します。
• 追加のプロセスを挿入します。

計算能力を高めるために、プロセッサには通常、メモリ アクセスのレイテンシを短縮するキャッシュ メモリが搭載されています。下の図は、プロセッサとメモリ間の階層を示しています。プロセッサは最初にキャッシュ L1 でデータを検索し、次に L2 でデータを検索し、最後にメモリで検索します。

データがプロセッサが探している場所にない場合、キャッシュ ミスと呼ばれます。以下の図は、キャッシュ レベルが 2 つある場合にプロセッサがデータを取得する方法を示しています。

残念ながら、キャッシュにはアプリケーション データのごく一部しか含まれておらず、ミスが発生した場合にメモリ トランザクションに追加のレイテンシが発生する可能性があります。また、メモリ階層の下位にあるメモリ デバイスがアクティブ化されるため、追加の電力消費も発生します。ミス ペナルティは、DES などの対称暗号化アルゴリズムを攻撃するためにすでに使用されています。^[37]この論文で提案されている基本的なアイデアは、プロセッサが既知のプレーン テキストに対して AES 暗号化アルゴリズムを実行している間に、キャッシュ ミスを強制することです。^[38]この攻撃により、メモリ保護、サンドボックス、仮想化などのパーティショニング方法にもかかわらず、権限のないプロセスが同じプロセッサで並行して実行されている他のプロセスを攻撃できます。^[39]

秘密鍵操作に必要な時間を注意深く測定することで、攻撃者は固定のDiffie-Hellman 指数を見つけ、RSA鍵を因数分解し、他の暗号システムを破ることができる可能性があります。脆弱なシステムに対しては、攻撃は計算コストが低く、既知の暗号文のみを必要とする場合が多いです。^[40] この攻撃は信号検出問題として扱うことができます。信号は、ターゲット指数ビットによるタイミング変動と、測定の不正確さから生じるノイズと、未知の指数ビットによるタイミング変動から生じます。信号とノイズの特性によって、攻撃に必要なタイミング測定の数が決まります。タイミング攻撃は、対称関数を含む他の暗号システムに対しても使用される可能性があります。^[41]

攻撃者は、単純で汎用的なプロセッサバックドアを特権昇格の手段として利用し、実行中の任意のオペレーティングシステムと同等の権限を取得できます。^[42]また、仮想マシンモニター上で実行されている非特権招待ドメインの非特権プロセスは、仮想マシンモニターと同等の権限を取得できます。^[42]

ロイック・デュフロは、論文「CPU バグ、CPU バックドア、セキュリティへの影響」でインテル プロセッサについて研究しました。彼は、プロセッサが 0 (最高権限) から 3 (最低権限) までの 4 つの異なる権限リングを定義していると説明しています。カーネル コードは通常リング 0 で実行され、ユーザー空間コードは通常リング 3 で実行されます。セキュリティ上重要なアセンブリ言語命令の使用は、リング 0 コードに制限されています。バックドアを介して権限を昇格するには、攻撃者は次のことを行う必要があります。^[43]

1. CPU を目的の状態にすることでバックドアをアクティブ化します。
2. コードを挿入し、リング 0 で実行します。
3. システムを安定状態に戻すには、リング 3 に戻ります。実際、コードがリング 0 で実行されている場合、システム コールは機能しません。システムをリング 0 のままにして、ランダムなシステム コール (通常は exit()) を実行すると、システムがクラッシュする可能性があります。

Loïc Duflot が紹介するバックドアは、3 つのアセンブリ言語命令の動作を変更するだけであり、非常に単純で具体的な起動条件があるため、誤って起動される可能性は非常に低いです。最近の発明は、このようなプロセッサベースのエスカレーション攻撃をターゲットにし始めています。

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