サイドチャネル攻撃

コンピュータセキュリティにおいて、サイドチャネル攻撃とは、システムによって意図せず漏洩した情報（タイミング、消費電力、電磁波や音響放射など）を利用して、機密情報への不正アクセスを行うセキュリティ攻撃の一種です。これらの攻撃は、暗号プロトコルやアルゴリズムの設計上の欠陥を標的とする攻撃とは異なります（ただし、暗号解析によって両方のタイプの攻撃に関連する脆弱性が特定される可能性はあります）。

サイドチャネル攻撃の中には、システムの内部動作に関する技術的な知識を必要とするものもあれば、差分電力解析のようにブラックボックス攻撃として有効なものもある。Microsoft Researchとインディアナ大学の研究者によると、 Web 2.0アプリケーションやサービスとしてのソフトウェアの台頭により、Webブラウザとサーバー間の通信が暗号化されている場合（ HTTPSやWiFi暗号化など）でも、Web上でのサイドチャネル攻撃の可能性が大幅に高まっているという。^{[ 1 ]}

正当なアクセス権を持つ人々を欺いたり脅迫したりして暗号システムを破ろうとする試みは、通常、サイドチャネル攻撃とはみなされません。ソーシャルエンジニアリングやラバーホース暗号解読を参照してください。

サイドチャネル攻撃の一般的な分類には以下が含まれます。

• キャッシュ攻撃とは、仮想化環境やクラウドサービスなどの共有物理システムにおいて、攻撃者が被害者によるキャッシュアクセスを監視する能力を利用した攻撃のことです。 
• タイミング攻撃とは、さまざまな計算（例えば、攻撃者が提示したパスワードと被害者の未知のパスワードを比較するなど）の実行にかかる時間を測定することに基づく攻撃です。 
• 電力監視攻撃–計算処理中にハードウェアの消費電力が変動することを利用する攻撃。 
• 電磁波攻撃とは、漏洩した電磁波を利用した攻撃であり、平文やその他の情報を直接入手できる可能性がある。このような測定値は、電力解析と同様の手法を用いて暗号鍵を推測するために使用できるほか、TEMPEST（別名ヴァン・エック・フリーキング、放射線モニタリング）攻撃などの非暗号攻撃にも使用できる。 
• 音響暗号解読とは、計算中に発生する音を利用する攻撃（電力解析に似ている）のことである。 
• 差分障害解析とは、計算処理に意図的に障害を導入することで、秘密情報を発見する手法である。 
• データ残存性–削除されたはずの機密データが読み取られる現象。（例：コールドブート攻撃） 
• ソフトウェアが開始する障害攻撃–現在では稀なサイドチャネル攻撃の一種である行ハンマー攻撃は、隣接メモリへのアクセスが頻繁すぎることで（状態保持の喪失を引き起こすことで）制限メモリを変更できる例である。 
• ホワイトリスト攻撃とは、ホワイトリストに登録されたデバイスが、登録済みのデバイス（応答を返す）と登録されていないデバイス（応答を全く返さない）との通信時に異なる動作をするという事実を利用した攻撃です。ホワイトリストを利用したサイドチャネル攻撃は、Bluetooth MACアドレスの追跡に悪用される可能性があります。 
• 光学的–高解像度カメラや、そのような機能を備えたその他のデバイスを使用して視覚的に記録することにより、秘密や機密データを読み取ることができる（以下の例を参照）。 

いずれの場合も、基本原理は、暗号システムの動作（サイドチャネル）によって引き起こされる物理的影響が、システム内の秘密情報（例えば、暗号鍵、部分的な状態情報、平文全体または部分的な平文など）に関する有用な追加情報を提供する可能性があるということです。サイドチャネル漏洩によって秘密鍵情報が劣化する現象は、時に「クリプトフトラ（秘密劣化）」と呼ばれます。

Aキャッシュサイドチャネル攻撃は、 AESTテーブルのエントリ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}やモジュラべき乗、乗算、メモリアクセス^{[ 5 ]}などのセキュリティ上重要な操作を監視することによって機能します攻撃者は、被害者が行った（または行わなかった）アクセスに応じて秘密鍵を復元し、暗号化キーを推測することができます。また、他のサイドチャネル攻撃とは異なり、この方法は進行中の暗号化操作に障害を発生させず、被害者には見えません。

2017年には、2つのCPU脆弱性（MeltdownとSpectreと呼ばれる）が発見された。これらの脆弱性は、キャッシュベースのサイドチャネルを利用して、攻撃者が他のプロセスやオペレーティングシステム自体のメモリ内容を漏洩させることを可能にする。

タイミング攻撃は、暗号システムやアルゴリズムを実行しているハードウェア上のCPUやメモリへのデータの出入りを監視します。暗号化操作の実行にかかる時間の変化を観察するだけで、秘密鍵全体を特定できる可能性があります。 ^{[ 6 ]}このような攻撃は、タイミング測定の統計分析を伴い、ネットワーク全体で実証されています。 ^{[ 7 ]}

電力解析攻撃は、CPUや暗号回路などのハードウェアデバイスの消費電力を観測することで、さらに詳細な情報を提供できます。これらの攻撃は、大まかに単純電力解析（SPA）と差分電力解析（DPA）に分類されます。1つの例として、ほぼすべてのCPUに影響を与えるCollide+Powerがあります。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}他の例では、機械学習アプローチを使用しています。^{[ 11 ]}

電流の変動は電波も発生させ、電磁波の測定値を分析する攻撃を可能にする。これらの攻撃は通常、電力解析攻撃と同様の統計的手法を用いる。

複数のデバイスにわたる電力と電磁波情報を使用した深層学習ベースのサイドチャネル攻撃[ ^{12 ] [ 13 ] [ 14 ]が}実証されており、異なるが同一のデバイスの秘密鍵をわずか1つのトレースで解読できる可能性がある。

現代のサイドチャネル攻撃の歴史的な類似例は知られている。最近機密解除されたNSAの文書によると、1943年にはベル電話のエンジニアが、ある暗号化テレタイプの復号出力に関連する解読可能なスパイクをオシロスコープ上で観測していたことが明らかになった。^{[ 15 ]}元MI5職員のピーター・ライトによると、英国保安局は1960年代にフランスの暗号装置からの放射を分析した。^{[ 16 ]} 1980年代には、ソ連の盗聴者がIBMセレクトリックタイプライターに盗聴器を仕掛け、タイプボールが回転して紙に当たる際に発生する電気ノイズを監視していた疑いがあった。これらの信号の特性から、どのキーが押されたかを特定できた。^{[ 17 ]}

デバイスの消費電力は発熱を引き起こしますが、冷却効果によって相殺されます。温度変化は熱による機械的ストレスを生み出します。このストレスは、動作中のCPUから低レベルの音響 放射（場合によっては約10kHz）を発生させる可能性があります。Shamirらによる最近の研究では、暗号システムやアルゴリズムの動作に関する情報もこの方法で取得できることが示唆されています。これは音響暗号解読攻撃です。

CPUチップの表面、あるいは場合によってはCPUパッケージを観察できる場合、赤外線画像によってCPU上で実行されているコードに関する情報も得られる。これは熱画像攻撃として知られている。^{[ 18 ]}

光学的サイドチャネル攻撃の例としては、ハードディスクのアクティビティインジケータから情報を取得すること^{[ 19 ]}や、トランジスタが状態変化する際に放出される少数の光子を読み取ること^{[ 20 ]などが挙げられる。}

割り当てベースのサイドチャネルも存在し、ネットワーク帯域幅などのリソースの割り当て（使用とは対照的に）から、競合するリソースを同時に要求しているクライアントに漏洩する情報を指します。^{[ 21 ]}

サイドチャネル攻撃に対抗するための対策には、主に2つのカテゴリーがあります。

1. 放出の排除または削減：これは、攻撃者が悪用する可能性のある電磁波やタイミング変動などの意図しない信号の放出を最小限に抑えることを意味します。
2. 秘密データの変換：通常はランダム化によって実現されるこのアプローチは、以下のことを保証します。
   • 暗号化処理によって、秘密データと関連付けられる可能性のある情報が漏洩することはありません。
   • その後の変換処理によって、暗号化操作後の意図した結果が復元される。

最初のカテゴリーでは、電磁波の放出を軽減し、TEMPEST攻撃に対する脆弱性を低減する特殊なシールドを備えたディスプレイが市販されています。電源ラインの調整とフィルタリングは、電力監視攻撃の抑止に役立ちますが、非常に小さな相関関係でも残存し、セキュリティを損なう可能性があるため、これらの対策は慎重に使用する必要があります。物理的な筐体は、マイク（音響攻撃に対抗するため）やその他のマイクロ監視デバイス（CPUの消費電力や熱画像攻撃に対抗するため）の密かな設置のリスクを軽減できます。

もう一つの対策（これも最初のカテゴリーに属する）は、発信チャネルにノイズを混入させることです。例えば、ランダムな遅延を追加することでタイミング攻撃を阻止できますが、攻撃者は複数の測​​定値を平均化することで（あるいはより一般的には、解析に用いる測定値を増やすことで）これらの遅延を補うことができます。サイドチャネルのノイズ量が増加すると、攻撃者はより多くの測定値を収集する必要が生じます。

最初のカテゴリのもう1つの対策は、セキュリティ分析ソフトウェアを使用して、基盤となるハードウェア自体の設計段階で発見できる特定の種類のサイドチャネル攻撃を特定することです。タイミング攻撃とキャッシュ攻撃はどちらも、市販のセキュリティ分析ソフトウェアプラットフォームで特定できます。これらのプラットフォームでは、攻撃の脆弱性自体を特定するテストと、脆弱性を回避するためのアーキテクチャ変更の有効性を特定できます。この対策を採用する最も包括的な方法は、ハードウェアのセキュア開発ライフサイクルを作成することです。これには、ハードウェア開発ライフサイクルの各段階で利用可能なすべてのセキュリティ分析プラットフォームを利用することが含まれます。^{[ 22 ]}

計算時間が離散的なクロックサイクル数に量子化されているターゲットに対するタイミング攻撃の場合、効果的な対策は、ソフトウェアを等時性、つまり秘密の値に関係なく正確に一定の時間で実行されるように設計することです。これにより、タイミング攻撃は不可能になります。^{[ 23 ]} このような対策は、一部のCPUでは個々の命令でさえ可変のタイミングを持つ可能性があるため、実際に実装するのは難しい場合があります。

単純な電力攻撃に対する部分的な対策の一つとして、差分電力解析攻撃には効果がないが、プログラムカウンタセキュリティモデルにおいて「PCセキュア」となるようにソフトウェアを設計することが挙げられる。PCセキュアなプログラムでは、実行パスは秘密の値に依存しない。つまり、すべての条件分岐は公開情報のみに依存する。（これは等時性コードよりも制約が厳しいが、分岐のないコードよりは制約が緩い。）乗算演算はほぼすべてのCPUでNOPよりも多くの電力を消費するが、一定の実行パスを使用することで、このような演算依存の電力差（ある分岐を選択することによる電力差）から秘密情報が漏洩するのを防ぐことができる。^{[ 23 ]}命令実行時間がデータに依存しないアーキテクチャでは、PCセキュアなプログラムはタイミング攻撃に対しても耐性がある。^{[ 24 ] [ 25 ]}

コードが非等時性となるもう一つの要因は、最新のCPUがメモリキャッシュを備えていることです。使用頻度の低い情報にアクセスすると、大きなタイミングペナルティが発生し、メモリブロックの使用頻度に関する情報が明らかになります。キャッシュ攻撃に耐性を持つように設計された暗号コードは、メモリを予測可能な方法（入力、出力、プログラムデータのみにアクセスし、固定パターンに従ってアクセスするなど）でのみ使用しようとします。例えば、データ依存のテーブル検索は、キャッシュによって検索テーブルのどの部分にアクセスしたかが明らかになる可能性があるため、避ける必要があります。

その他の部分的な対策では、データ依存の電力差から漏洩する情報の量を減らすことを試みます。一部の操作では、秘密値の 1 ビットの数と相関のある電力を使用します。定数重みコード(フレドキンゲートやデュアルレール符号化など) を使用すると、秘密値のハミング重みに関する情報の漏洩を減らすことができますが、バランスが完全に取れていない限り、悪用可能な相関関係が残る可能性があります。この「バランスの取れた設計」は、データとその補数を同時に操作することでソフトウェアで近似できます。^{[ 23 ]}

いくつかの「セキュアCPU」は非同期CPUとして構築されており、グローバルなタイミング参照がありません。これらのCPUはタイミング攻撃や電力攻撃をより困難にすることを目的としていましたが、^{[ 23 ]}その後の研究では、非同期回路のタイミング変動は除去するのがより困難であることがわかりました。^{[ 26 ]}

最近では、ホワイトボックスモデリングが、EMサイドチャネル攻撃と電力サイドチャネル攻撃の両方に対する低オーバーヘッドの汎用回路レベル対策の開発に利用されました^{[ 27 ] 。ICの上位レベルの金属層がより効率的なアンテナとして機能し、その影響を最小限に抑えるため[ 28 ]} 、暗号コアに署名抑制回路^{[ 29 ] [ 30 ]}を埋め込み、下位レベルの金属層内にローカルに配線することで、電力サイドチャネル攻撃とEMサイドチャネル攻撃の両方に対する耐性を実現するというアイデアです。

• 力ずくの攻撃
• コンピュータおよびネットワーク監視
• 秘密チャンネル
• 副作用
• ワイヤーデータ

• Sima, Mihai; Brisson, André (2015)、サイドチャネル攻撃に対する堅牢性を向上させたホワイトノイズ暗号化の実装
• ブリソン、アンドレ（2015）、ビクトリア大学、ブリティッシュコロンビア州、ホワイトノイズのサイドチャネル攻撃耐性に関する研究
• 新たなサイドチャネル攻撃手法
• COSADEワークショップ：構成的サイドチャネル分析とセキュア設計に関する国際ワークショップ