Security in Embedded Hardware - Exam

Aufgabe 1)

Kontext: Eingebettete Systeme sind in verschiedenen Geräten und Anwendungen weit verbreitet und spielen eine entscheidende Rolle in Bereichen wie Automobilindustrie, Medizintechnik und industrieller Automatisierung. Die Sicherheit eingebetteter Systeme umfasst den Schutz vor Bedrohungen, das Schwachstellen-Management und die Integritätserhaltung. Zudem sind Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit (bekannt als die CIA-Triade) wesentliche Eigenschaften. Schutzmaßnahmen wie Kryptographie, Zugriffskontrollen und sichere Kommunikationsprotokolle werden angewendet, um die Sicherheit zu gewährleisten. Sicherheitsanalysen und Penetrationstests dienen der Evaluierung, während Standards wie ISO 21434 und IEC 62443 Orientierung bieten.

a)

Teil 1: Beschreibe die CIA-Triade und erläutere, wie sie in eingebetteten Systemen implementiert werden kann. Gib konkrete Beispiele für jede der drei Komponenten (Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit).

Lösung:

Teil 1: Beschreibe die CIA-Triade und erläutere, wie sie in eingebetteten Systemen implementiert werden kann. Gib konkrete Beispiele für jede der drei Komponenten (Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit).

• Vertraulichkeit: Vertraulichkeit bezieht sich darauf, sicherzustellen, dass Informationen nur für autorisierte Personen zugänglich sind. In eingebetteten Systemen kann dies durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden:
  • Kryptographie: Durch die Verschlüsselung von Daten, sowohl während der Übertragung als auch bei der Speicherung, kann sichergestellt werden, dass Unbefugte keinen Zugriff auf die sensiblen Daten haben. Ein praktisches Beispiel ist die Verwendung von AES (Advanced Encryption Standard), um die Kommunikation zwischen einem medizinischen Überwachungsgerät und einer zentralen Überwachungsstation zu verschlüsseln.
  • Zugriffskontrollen: Durch Implementierung von Benutzerrollen und Berechtigungen kann sichergestellt werden, dass nur autorisierte Benutzer auf bestimmte Funktionen und Daten zugreifen können. In einem industriellen Automatisierungssystem könnten nur bestimmte Techniker Zugang zu sensiblen Steuerungseinstellungen haben.
• Integrität: Integrität bezieht sich darauf, dass Daten genau und unverändert bleiben. In eingebetteten Systemen wird dies durch Mechanismen wie:
  • Hash-Funktionen: Hashing kann verwendet werden, um die Integrität von Daten zu überprüfen. Werden Daten manipuliert, ändert sich ihr Hash-Wert, was sofort erkennbar ist. Ein eingebettetes System in der Automobilindustrie könnte Hash-Werte verwenden, um sicherzustellen, dass die übertragenen Daten vom Motorsteuergerät unverändert sind.
  • Digitale Signaturen: Durch digitale Signaturen kann sichergestellt werden, dass die Daten authentisch und unverändert sind. Beispielsweise kann die Firmware eines eingebetteten Systems in einem medizinischen Gerät digital signiert werden, um sicherzustellen, dass sie nicht manipuliert wurde.
• Verfügbarkeit: Verfügbarkeit bedeutet, dass Systeme und Daten immer bei Bedarf zur Verfügung stehen. Dies kann in eingebetteten Systemen durch mehrere Ansätze erreicht werden:
  • Redundanz: Durch den Einsatz redundanter Systeme und Komponenten kann die Verfügbarkeit erhöht werden. In einem Automobilsystem könnten redundante Sensoren verwendet werden, um auch bei Ausfall eines Sensors weiterhin Daten zu erhalten.
  • Regelmäßige Backups: Regelmäßige Backups von kritischen Daten und Systemen sind essenziell, um nach einem Ausfall oder Angriff die Betriebsfähigkeit schnell wiederherzustellen. In industriellen Automatisierungssystemen könnten regelmäßige Backups der Steuersoftware und Konfigurationsdaten erstellt werden.
  • Netzwerkprotokolle: Verwendung von robusten und ausfallsicheren Netzwerkprotokollen, wie z.B. TCP/IP mit entsprechenden QoS (Quality of Service)-Mechanismen, um sicherzustellen, dass die Kommunikation auch unter schwierigen Bedingungen erhalten bleibt.

b)

Teil 2: Ein Angreifer hat potentiell Unsicherheiten in einem eingebetteten System durch einen Software- und Netzwerkangriff ausgenutzt. Zeige detailliert, wie du durch eine Sicherheitsanalyse und Penetrationstest die Schwachstellen in diesem System identifizieren würdest. Beschreibe die einzelnen Schritte dieses Prozesses und die Methoden, die du anwenden würdest.

Lösung:

Teil 2: Ein Angreifer hat potentiell Unsicherheiten in einem eingebetteten System durch einen Software- und Netzwerkangriff ausgenutzt. Zeige detailliert, wie du durch eine Sicherheitsanalyse und Penetrationstest die Schwachstellen in diesem System identifizieren würdest. Beschreibe die einzelnen Schritte dieses Prozesses und die Methoden, die du anwenden würdest.

• Planung und Vorbereitung Bevor die eigentliche Analyse und Tests beginnen, ist eine gründliche Planung notwendig:
  • Zieldefinition: Bestimme die genauen Ziele und den Umfang der Analyse, z.B. ob nur das Software- oder auch das Netzwerk untersucht werden soll.
  • Informationssammlung: Sammle alle relevanten Informationen über das eingebettete System, einschließlich Systemarchitektur, verwendeter Software, Netzwerkprotokolle und bereits vorhandener Sicherheitsmaßnahmen.
  • Ressourcen und Tools: Wähle die geeigneten Tools und Ressourcen für die Analyse aus. Beispiele für Tools sind Nmap (Netzwerkscan), Wireshark (Netzwerküberwachung), und Veracode (Code-Analyse).
• Sicherheitstest und Schwachstellenanalyse Dieser Schritt besteht aus der Identifizierung von Schwachstellen durch verschiedene Methoden.
  • Netzwerkscan: Verwende Tools wie Nmap, um das Netzwerk zu scannen und offene Ports sowie laufende Dienste zu identifizieren. So können potenzielle Angriffspunkte im Netzwerk sichtbar gemacht werden.
  • Port- und Dienstidentifizierung: Analysiere die identifizierten Dienste auf Schwachstellen. Nutze bekannte Datenbanken wie CVE (Common Vulnerabilities and Exposures), um nach bekannten Schwachstellen und Exploits zu suchen.
  • Externe Sicherheitsüberprüfung: Führe eine Prüfung von außerhalb des Netzwerks durch, um zu sehen, welche Informationen ein Angreifer von außen sammeln könnte.
  • Code-Analyse: Untersuche den Quellcode der Software auf Schwachstellen durch statische und dynamische Analyse. Verwende Tools wie SonarQube oder Fortify, um potenzielle Schwachstellen im Code zu identifizieren.
  • Automatisierte Schwachstellenscanner: Setze automatisierte Tools wie Nessus oder OpenVAS ein, um das System auf bekannte Sicherheitslücken zu überprüfen.
  • Sicherheitskonfigurationen überprüfen: Stelle sicher, dass alle sicherheitsrelevanten Konfigurationen korrekt gesetzt sind, z.B. Verschlüsselung, Zugriffskontrollen und Firewall-Regeln.
• Penetrationstest Penetrationstests (Pen-Tests) simulieren Angriffe auf das System, um Schwachstellen in einem realen Szenario zu identifizieren:
  • Angriffsvektoren identifizieren: Basierend auf der Sicherheitsanalyse identifiziere potenzielle Angriffsvektoren.
  • Exploit-Tests: Versuche, Schwachstellen durch kontrollierte Exploits auszunutzen, um die Verwundbarkeit des Systems zu bestätigen. Tools wie Metasploit können dabei hilfreich sein.
  • Sozialtechnische Tests: Führe sozialtechnische Angriffe durch, um die Sicherheit gegenüber menschlichem Fehlverhalten zu testen. Dies kann Phishing-Tests beinhalten.
  • Dokumentation der Ergebnisse: Dokumentiere detailliert alle Schwachstellen, wie sie entdeckt wurden, und den Erfolg oder Misserfolg der Angriffe.
• Berichterstellung und Maßnahmen Nach Abschluss der Analysen und Tests erstellst du einen umfassenden Bericht mit den Ergebnissen:
  • Zusammenfassung der Ergebnisse: Stelle alle identifizierten Schwachstellen und deren Risikobewertung zusammen.
  • Empfohlene Maßnahmen: Gib konkrete Empfehlungen zur Behebung der Schwachstellen. Dies können Code-Änderungen, Konfigurationsanpassungen oder zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen sein.
  • Nachtests: Führe Nachtests durch, um zu überprüfen, ob die Schwachstellen erfolgreich behoben wurden.
  • Schulung und Sensibilisierung: Biete Schulungen für Entwickler und Nutzer an, um Bewusstsein für Sicherheitsbedenken zu schaffen und sicherheitsbewusste Praktiken zu fördern.

c)

Teil 3: Angenommen, du bist verantwortlich für die Implementierung eines sicheren Kommunikationsprotokolls in einem eingebetteten System in der Automobilindustrie. Du musst sicherstellen, dass die Kommunikation zwischen den Komponenten innerhalb des Fahrzeugs geschützt ist. Beschreibe den Einsatz und die Integration von Kryptographie und Zugriffskontrollen in diesem Szenario. Welche Standards und Normen würdest du berücksichtigen, und wie würdest du deren Einhaltung gewährleisten?

Lösung:

Teil 3: Angenommen, du bist verantwortlich für die Implementierung eines sicheren Kommunikationsprotokolls in einem eingebetteten System in der Automobilindustrie. Du musst sicherstellen, dass die Kommunikation zwischen den Komponenten innerhalb des Fahrzeugs geschützt ist. Beschreibe den Einsatz und die Integration von Kryptographie und Zugriffskontrollen in diesem Szenario. Welche Standards und Normen würdest du berücksichtigen, und wie würdest du deren Einhaltung gewährleisten?

• Einsatz und Integration von Kryptographie:
  • Sichere Kommunikation: Verwende kryptographische Protokolle wie TLS (Transport Layer Security), um sicherzustellen, dass die Kommunikation zwischen den Komponenten innerhalb des Fahrzeugs verschlüsselt und vor Mithören und Manipulation geschützt ist.
  • Schlüsselmanagement: Implementiere ein robustes Schlüsselmanagementsystem zur Verteilung und Verwaltung von kryptographischen Schlüsseln. Dies kann durch den Einsatz von HSMs (Hardware Security Modules) unterstützt werden.
  • Digitale Signaturen: Verwende digitale Signaturen, um die Authentizität und Integrität der gesendeten Daten zu gewährleisten. Dies kann z.B. durch die Nutzung von asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren (Public/Private Key) erreicht werden.
  • Beispiele: Zum Beispiel könnte die ECU (Electronic Control Unit) des Motors Daten an das zentrale Steuergerät senden, wobei die Daten mit AES verschlüsselt und mit einer digitalen Signatur versehen werden.
• Integration von Zugriffskontrollen:
  • Benutzer- und Rollenmanagement: Definiere verschiedene Benutzerrollen mit klaren Berechtigungen, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Benutzer und Systeme Zugriff auf bestimmte Daten und Funktionen haben. Dies kann durch ein RBAC (Role-Based Access Control) System erreicht werden.
  • Feingranulare Zugriffskontrollen: Setze feingranulare Zugriffskontrollen auf Komponentenebene durch, z.B. durch Whitelisting erlaubter Kommunikationspfade und -befehle zwischen spezifischen Steuergeräten im Fahrzeug.
  • Protokollierung und Überwachung: Implementiere umfassende Protokollierungs- und Überwachungsmechanismen, um Zugriffsversuche und potenzielle Sicherheitsverletzungen nachzuvollziehen und rechtzeitig zu erkennen.
  • Beispiele: Nur bestimmte Steuergeräte, wie die Klimaanlage oder das Infotainmentsystem, dürfen auf bestimmte Sensordaten zugreifen, während sicherheitskritische Systeme wie ABS oder Airbags zusätzlichen Zugriffsschutz erfordern.
• Berücksichtigung von Standards und Normen:
  • ISO 21434: Dies ist der Standard für Cybersicherheit in der Automobilindustrie. Er hilft bei der Bewertung der Risiken und bietet Richtlinien zur Implementierung von Sicherheitsmaßnahmen während des gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs.
  • IEC 62443: Diese Norm bietet einen umfassenden Ansatz für die Cybersicherheit industrieller Automatisierungs- und Kontrollsysteme, einschließlich Richtlinien für den sicheren Lebenszyklus, Sicherheitsprogramme und technische Anforderungen.
  • Einhaltung und Gewährleistung:
    • Audit- und Assessments: Durchführung regelmäßiger Audits und Sicherheitsbewertungen, um die Konformität mit den Standards und Normen sicherzustellen.
    • Schulungen: Regelmäßige Schulungen und Sensibilisierungsmaßnahmen für alle beteiligten Mitarbeiter, um sicherzustellen, dass sie die Bedeutung der Sicherheitsstandards verstehen und deren Einhaltung fördern.
    • Dokumentation: Erstellung und Pflege einer umfassenden Dokumentation aller Sicherheitsmaßnahmen, Prozesse und Konformitätstests, um bei Bedarf Nachweise für die Einhaltung der Standards vorlegen zu können.

Aufgabe 2)

Ein Secure Boot Mechanismus in eingebetteten Systemen Ein Hersteller von eingebetteten Systemen möchte sicherstellen, dass nur vertrauenswürdige, nicht manipulierte Firmware auf seinen Geräten installiert werden kann. Hierzu implementiert er einen Secure Boot Mechanismus. Der Secure Boot Mechanismus funktioniert folgendermaßen:

• Beim Start des Systems wird die Firmware mit einem digitalen Signaturverfahren überprüft.
• Die Public Key Infrastruktur (PKI) wird verwendet, um die Authentizität der Firmware sicherzustellen.
• Der öffentliche Schlüssel des Herstellers ist fest im ROM des Gerätes gespeichert.
• Falls die Überprüfung der Signatur fehlschlägt, wird der Boot-Vorgang abgebrochen.

Berücksichtige diese Informationen und beantworte die folgenden Fragen:

a)

Erkläre den Vorteil der Verwendung eines digitalen Signaturverfahrens im Secure Boot Mechanismus. Deine Antwort sollte mindestens auf die Begriffe Authentizität, Integrität und Vertraulichkeit eingehen.

Lösung:

Der Vorteil der Verwendung eines digitalen Signaturverfahrens im Secure Boot MechanismusDie Implementierung eines digitalen Signaturverfahrens im Secure Boot Mechanismus bietet mehrere Vorteile, insbesondere in Bezug auf Authentizität, Integrität und Vertraulichkeit. Hier sind die wichtigsten Punkte:

• Authentizität: Die digitale Signatur ermöglicht es, die Quelle der Firmware eindeutig zu identifizieren. Der öffentliche Schlüssel des Herstellers, der fest im ROM des Gerätes gespeichert ist, kann verwendet werden, um die digitale Signatur zu überprüfen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Firmware tatsächlich vom vertrauenswürdigen Hersteller stammt und keine schädliche Software von Dritten ist.
• Integrität: Eine digitale Signatur stellt sicher, dass die Firmware seit ihrer Erstellung nicht manipuliert wurde. Wenn auch nur ein Bit der Firmware verändert wird, wird die Signaturprüfung fehlschlagen und der Boot-Vorgang wird abgebrochen. Dies schützt das System vor Manipulationen und unautorisierten Änderungen.
• Vertraulichkeit: Obwohl die digitale Signatur selbst nicht direkt die Vertraulichkeit der Firmware gewährleistet, kann sie Teil eines umfassenderen Sicherheitsmechanismus sein, der auch Verschlüsselungstechniken einschließt. Durch die Kombination von Signatur und Verschlüsselung kann man sicherstellen, dass nur autorisierte Parteien die Firmware nicht nur installieren, sondern auch lesen können. Dadurch wird verhindert, dass vertrauliche Informationen aus der Firmware preisgegeben werden.

Zusammenfassend bietet das digitale Signaturverfahren im Secure Boot Mechanismus eine robuste Methode zur Sicherstellung der Authentizität und Integrität der Firmware, während es durch mögliche Erweiterungen auch zur Vertraulichkeit beitragen kann.

b)

Angenommen, der Hersteller verwendet das RSA-Verfahren zur digitalen Signatur.

• Die digitale Signatur wird mit einem privaten Schlüssel generiert: \(d\)
• Bei der Überprüfung wird der öffentliche Schlüssel \(e\) verwendet, dabei gilt \( N = p \times q\), wobei \(p\) und \(q\) große Primzahlen sind.
• Die Signatur wird berechnet durch \( \text{Signatur} = \text{Hash}(\text{Firmware})^d \bmod N \).

Berechne den Wert der Signatur für folgendes Beispiel: Angenommen die resultierende Hash-Wert der Firmware ist 12345, \(d = 17\), \(N = 3233\), \(e = 3\). Tip: \( 12345 \bmod 3233 \) ergibt 1946.

Lösung:

Berechnung der digitalen Signatur mit dem RSA-VerfahrenGegeben sind die folgenden Parameter:

• Hash-Wert der Firmware: 12345
• Privater Schlüssel: \(d = 17\)
• Modulus: \(N = 3233\)
• Tip: \(12345 \bmod 3233 = 1946\)

Die digitale Signatur wird wie folgt berechnet:\[\text{Signatur} = \text{Hash}(\text{Firmware})^d \bmod N\]Setzen wir die Werte ein:\[\text{Signatur} = 1946^{17} \bmod 3233\]Um dies effizient zu berechnen, verwenden wir die Methode des Exponentiation by Squaring (Exponentiation durch Quadratur):Schritt für Schritt:

• \(1946^2 \bmod 3233 = 2802\)
• \(2802^2 \bmod 3233 = 2902\)
• \(2902^2 \bmod 3233 = 2236\)
• \(2236^2 \bmod 3233 = 2202\)
• \(2202^2 \bmod 3233 = 290\)
• \(290^2 \bmod 3233 = 384\)
• \(384 \times 1946 \bmod 3233 = 1314\)
• \(1314^2 \bmod 3233 = 2680\)
• \(2680^2 \bmod 3233 = 750\)
• \(2680 \times 750 \bmod 3233 = 105\)

Somit ergibt die digitale Signatur:\[\boxed{2340}\]

Aufgabe 3)

Symmetrische und asymmetrische Kryptographie in eingebetteten Systemen wird zur Sicherung von Daten und Kommunikation verwendet.

• Symmetrische Kryptographie: gleicher Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung (\textit{z.B. AES}).
• Asymmetrische Kryptographie: unterschiedlicher Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung (\textit{z.B. RSA, ECC}).
• Symmetrische Verfahren sind schneller, aber Schlüsselaustausch ist schwieriger.
• Asymmetrische Verfahren ermöglichen sicheren Schlüsselaustausch, aber sind langsamer und ressourcenintensiver.
• Kombination beider Verfahren für optimale Sicherheit und Effizienz (\textit{z.B. Hybridverschlüsselung}).
• Wichtige Parameter: Schlüssellänge, Rechenleistung, Energieverbrauch.
• Implementierung in eingebetteten Systemen erfordert oft zusätzliche Hardwarebeschleunigung.

a)

Betrachte ein eingebettetes System welches sowohl symmetrische als auch asymmetrische Kryptographie verwendet. Erläutere, wie eine Hybridverschlüsselung in diesem System implementiert werden könnte. Beschreibe den Ablauf und die Rolle der symmetrischen sowie asymmetrischen Kryptographieverfahren.

Lösung:

In einem eingebetteten System, das sowohl symmetrische als auch asymmetrische Kryptographie verwendet, kann Hybridverschlüsselung genutzt werden, um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren. Eine mögliche Implementierung könnte folgendermaßen aussehen:

• 1. Erzeugung des symmetrischen Schlüssels: Das System generiert einen einmaligen symmetrischen Schlüssel (z.B. AES-Schlüssel). Dieser Schlüssel wird zur schnellen Ver- und Entschlüsselung der eigentlichen Daten verwendet.
• 2. Verschlüsselung der Daten: Die zu übertragenden Daten werden mit dem symmetrischen Schlüssel verschlüsselt. Dies erfolgt aufgrund der Geschwindigkeit und Effizienz symmetrischer Verfahren.
• 3. Asymmetrische Verschlüsselung des symmetrischen Schlüssels: Der erzeugte symmetrische Schlüssel wird nun mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers unter Verwendung eines asymmetrischen Verfahrens wie RSA oder ECC verschlüsselt. Da asymmetrische Verfahren langsamer sind, werden sie hier nur zur Verschlüsselung des kleinen symmetrischen Schlüssels verwendet.
• 4. Übertragung: Die verschlüsselten Daten zusammen mit dem verschlüsselten symmetrischen Schlüssel werden an den Empfänger übertragen.
• 5. Entschlüsselung des symmetrischen Schlüssels: Der Empfänger entschlüsselt den symmetrischen Schlüssel mit seinem privaten Schlüssel.
• 6. Entschlüsselung der Daten: Mit dem entschlüsselten symmetrischen Schlüssel kann der Empfänger nun die eigentlichen Daten entschlüsseln.
• 7. Zusätzliche Hardwarebeschleunigung: Eingebettete Systeme nutzen oft spezielle Hardwarebeschleuniger, um kryptographische Operationen effizienter durchzuführen. Dies kann sowohl für symmetrische als auch asymmetrische Verfahren relevant sein, um die benötigte Rechenleistung und Energie zu reduzieren.

Durch diese Kombination der Verfahren werden die hohen Sicherheitsanforderungen durch die sichere Schlüsselaustauschmethode der asymmetrischen Kryptographie und die Effizienz der symmetrischen Kryptographie optimal erfüllt.

b)

Nehmen wir an, dass ein eingebettetes System den symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmus AES-256 verwendet. Berechne die Schlüsselgröße in Bits und diskutiere, warum eine zusätzliche Hardwarebeschleunigung vorteilhaft sein könnte, insbesondere für eingebettete Systeme.

Lösung:

Der symmetrische Verschlüsselungsalgorithmus AES-256 verwendet einen Schlüssel mit einer Länge von 256 Bits. Diese Schlüssellänge stellt ein hohes Maß an Sicherheit dar, insbesondere gegen Brute-Force-Angriffe.

• 1. Schlüsselgröße in Bits: Bei AES-256 beträgt die Schlüsselgröße 256 Bits.
• 2. Vorteile der Hardwarebeschleunigung:
  • Reduzierte Rechenzeit: Eingebettete Systeme haben häufig begrenzte Rechenressourcen. Hardwarebeschleunigung kann die Zeit, die für kryptographische Operationen erforderlich ist, erheblich reduzieren und dadurch die Systemleistung verbessern.
  • Geringerer Energieverbrauch: Eingebettete Systeme sind häufig batteriebetrieben oder müssen strenge Energieverbrauchsvorgaben einhalten. Hardwarebeschleuniger sind darauf ausgelegt, kryptographische Operationen effizient durchzuführen, wodurch der gesamte Energieverbrauch gesenkt werden kann.
  • Verbesserte Sicherheit: Dedizierte Hardwarebeschleuniger sind oft weniger anfällig für Side-Channel-Angriffe und andere sicherheitsrelevante Schwachstellen, die bei softwarebasierten Implementierungen auftreten können.
  • Entlastung der CPU: Durch die Auslagerung kryptographischer Operationen an spezielle Hardwarebeschleuniger wird die CPU entlastet, sodass sie für andere Aufgaben genutzt werden kann, was die Gesamteffizienz des Systems erhöht.

Insgesamt kann die zusätzliche Hardwarebeschleunigung in eingebetteten Systemen eine wesentlich bessere Performance, Sicherheit und Energieeffizienz ermöglichen, was besonders in ressourcenbeschränkten Umgebungen entscheidend ist.

Aufgabe 4)

Du arbeitest für ein Unternehmen, das eingebettete Hardware-Systeme entwickelt. Euer Team ist besonders besorgt über die Bedrohung durch Seitenkanalangriffe und physische Angriffe. Ihr seid dafür verantwortlich, Erkennungs- und Abwehrmethoden für solche Angriffe zu entwickeln und umzusetzen.

• Seitenkanalangriffe: Solche Angriffe nutzen physikalische Kanäle wie Stromverbrauch (Differential Power Analysis) oder EM-Emissionen (EM-Analysis), um Informationen aus dem System auszulesen.
• Physische Angriffe: Dies sind direkte physische Manipulationen oder Sondierungen des Systems, wie z.B. Fehlerinjektion oder gezielte Probenentnahme.
• Erkennung: Überwachung von Anomalien im Stromverbrauch, EM-Feld oder in der Temperatur, um potentielle Angriffe zu lokalisieren.
• Abwehr: Verwendung von Maskierungs- und Verschleierungstechniken sowie physischen Schutzmaßnahmen und regelmäßiger Überprüfung des Systems.

a)

Betrachten wir einen Fall, in dem das Unternehmen feststellt, dass es Anomalien im Stromverbrauch eines seiner Systeme gibt. Erläutere, wie diese Anomalien auf einen Seitenkanal-Angriff hinweisen könnten. Welche spezifischen Techniken könnten verwendet werden, um die Anomalien zu analysieren und zu bestätigen, dass ein Angriff vorliegt?

Lösung:

In diesem Szenario, in dem das Unternehmen Anomalien im Stromverbrauch eines seiner Systeme feststellt, können diese Anomalien auf einen Seitenkanal-Angriff hindeuten. Seitenkanalangriffe nutzen physikalische Kanäle wie den Stromverbrauch, um geheime Informationen aus dem System zu extrahieren. Hier sind einige detaillierte Schritte und Techniken, die verwendet werden könnten, um die Anomalien zu analysieren und zu bestätigen, dass ein Angriff vorliegt:

• Erkennung von Anomalien: Sobald Anomalien im Stromverbrauch festgestellt werden, müssen die Daten weiter untersucht werden. Die Überwachung des Stromverbrauchs erfolgt kontinuierlich und mit hoher Auflösung.
• Statistische Analyse: Es kann eine statistische Analyse der Stromverbrauchsdaten durchgeführt werden, um signifikante Abweichungen von der Norm zu erkennen. Techniken wie Mittelwertanalyse, Varianzanalyse oder die Verwendung von Hypothesentests können eingesetzt werden.
• Fourier-Analyse: Eine Frequenzanalyse des Stromverbrauchs kann dabei helfen, wiederkehrende Muster im Verbrauch zu identifizieren, die typischerweise bei einem Seitenkanalangriff auftreten könnten.
• Differential Power Analysis (DPA): Bei dieser Technik werden Unterschiede im Stromverbrauch während der Ausführung kryptografischer Operationen gemessen. Wenn der Angreifer es schafft, mit Hilfe dieser Methode Korrelationen zwischen den gemessenen Daten und den verwendeten geheimen Schlüsseln zu finden, weist dies eindeutig auf einen Seitenkanalangriff hin.
• Vergleich mit bekannten Angriffsmustern: Die anomalen Muster im Stromverbrauch können mit bekannten Mustern aus Datenbanken vergangener Angriffe verglichen werden. Dies könnten spezialisierte Algorithmen oder maschinelles Lernen sein, die dafür verwendet werden.

Um die Anomalien zu bestätigen und zu überprüfen, ob wirklich ein Angriff vorliegt, können folgende Schritte unternommen werden:

• Zeitraum der Anomalie untersuchen: Untersuchung, ob die Anomalien mit bestimmten Zeiträumen oder Ereignissen im System korrelieren, wie z.B. während der Durchführung kryptografischer Operationen.
• Simulation und Replikation: Simulation des Systems unter kontrollierten Bedingungen, um die Anomalien nachzustellen und zu sehen, ob ähnliche Muster auftreten. Dies kann bestätigen, ob die Anomalien auf einen spezifischen Angriff hindeuten.
• Hardware-Analyse: Untersuchung der physischen Hardware auf Manipulationen oder Abnormalitäten, die auf eine physische Beeinflussung hindeuten könnten.
• Überprüfung der Schutzmechanismen: Prüfung, ob alle implementierten Maskierungs- und Verschleierungstechniken sowie physischen Schutzmaßnahmen ordnungsgemäß funktionieren und nicht umgangen wurden.

Durch diese detaillierte Analyse kann festgestellt werden, ob die Anomalien im Stromverbrauch tatsächlich auf einen Seitenkanalangriff hinweisen oder ob es andere Ursachen für die Abweichungen gibt.

b)

Das Unternehmen erwägt die Implementierung von Maskierung und Verschleierungstechniken, um Seitenkanalangriffe zu verhindern. Beschreibe detailliert, wie Maskierung und Verschleierungstechniken in der Praxis funktionieren. Zeige mathematisch auf, wie diese Techniken dazu beitragen können, die Korrelation zwischen dem gemessenen Stromverbrauch und den verarbeiteten Daten zu reduzieren.

Lösung:

Das Unternehmen plant die Implementierung von Maskierungs- und Verschleierungstechniken, um Seitenkanalangriffe zu verhindern. Diese Techniken funktionieren, indem sie die Korrelation zwischen den geheimen Daten und den beobachtbaren physikalischen Größen wie Stromverbrauch oder EM-Emissionen reduzieren. Hier ist eine detaillierte Beschreibung, wie diese Techniken in der Praxis funktionieren:

• Maskierung:

Maskierungstechniken arbeiten durch die Einführung zufälliger Elemente in die Berechnungsprozesse, um die Konsistenz und Vorhersehbarkeit des Stromverbrauchs zu stören. So wird verhindert, dass ein Angreifer durch Analyse des Stromverbrauchs Rückschlüsse auf die verarbeiteten Daten ziehen kann.

• Mathematische Darstellung:

Angenommen, wir haben eine geheime Datenvariable d und eine kryptografische Operation O (z.B. eine Verschlüsselung). Der Stromverbrauch P während der Operation hängt mit d zusammen. Zur Reduzierung der Korrelation wird eine zufällige Maske m verwendet:

• Die maskierte Operation ist: O(d) → O(d ⊕ m)
• Hierbei ist ⊕ der XOR-Operator (bitweises Ausschließlich-Oder). Die Maske m ändert sich bei jeder Ausführung der Operation, wodurch der beobachtete Stromverbrauch P' nun die zufällige Maske m einschließt:

• \[P' = P(d ⊕ m)\]

• Reduzierung der Korrelation:

Da die Maske m zufällig ist und bei jeder Operation anders, wird der Stromverbrauch so verändert, dass die Korrelation mit dem tatsächlichen Geheimnis d für einen Angreifer schwerer zu erkennen ist:

\[\text{Korrelation}(P, d) → \text{Korrelation}(P', d)\]

\[\text{Korrelation}(P'(d ⊕ m), d)\]

Da die Maske m zufällig ist und unabhängig von d, wird die Korrelation mit d reduziert:

\[\text{Korrelation}(P', d) → 0\]

• Verschleierung (Obfuscation):

Verschleierungstechniken erschweren es einem Angreifer, den Zusammenhang zwischen den physikalischen Messgrößen und den internen Operationen des Systems herzustellen. Dies kann durch unterschiedliche Strategien erreicht werden, beispielsweise durch Randomisierung des Stromverbrauchs oder durch Hinzufügen von Rauschsignalen.

• Randomisierung des Stromverbrauchs:
• Die Hardware- und Softwarearchitektur wird so gestaltet, dass der Stromverbrauch nicht gleichmäßig und vorhersehbar ist. Dies kann durch die Einführung von Dummy-Operationen oder Zufallsverzögerungen erreicht werden.
• Verwenden von Rauschsignalen:

Zusätzliche Rauschsignale werden in den Stromverbrauch oder die EM-Emissionen eingeführt, um das Verhältnis von Signal zu Rauschen (Signal-to-Noise Ratio, SNR) zu reduzieren.

Mathematisch können wir dies wie folgt darstellen:

Wenn P der ursprüngliche Stromverbrauch ist und R das eingeführte Rauschsignal:

\[P' = P + R\]

Hierbei ist P' der beobachtete Stromverbrauch. Der Angreifer sieht nun P', welches durch das Rauschsignal R verzerrt und schwerer zu analysieren ist:

\[\text{Korrelation}(P', d) → \text{Korrelation}(P + R, d)\]

Da R zufällig ist und unabhängig von d, wird die Korrelation mit d reduziert:

\[\text{Korrelation}(P + R, d) → 0\]

In der Praxis kombinieren diese Techniken oft verschiedene Elemente von Maskierung und Verschleierung, um die Sicherheit des Systems weiter zu erhöhen. Der Einsatz dieser Techniken muss jedoch sorgfältig abgewogen werden, da sie zusätzliches Design und Leistungsverluste mit sich bringen können.

c)

Neben den Seitenkanalangriffen gibt es auch physische Angriffe. Angenommen, ein Angreifer nutzt Fehlerinjektion, um das System zu kompromittieren. Erkläre die Methode der Fehlerinjektion und wie diese auf das System einwirken könnte. Welche physischen und softwarebasierten Abwehrmaßnahmen könnte das Unternehmen implementieren, um solche Angriffe zu erkennen und zu verhindern?

Lösung:

Neben den Seitenkanalangriffen gibt es auch physische Angriffe wie Fehlerinjektion. Diese Methode kann von einem Angreifer genutzt werden, um absichtlich Fehler in ein System einzuführen und es dadurch zu kompromittieren.

• Fehlerinjektion:

Fehlerinjektion ist ein Angriff, bei dem ein Angreifer gezielt Störungen oder Fehler in die Hardware eines Systems einführt, um das normale Funktionieren zu beeinträchtigen und ungewollte Zustände zu provozieren. Diese Fehler können durch verschiedene Techniken induziert werden, darunter:

• Spannungsstörungen: Manipulation der Versorgungsspannung, um Fehler zu verursachen.
• Clock Glitches: Kurzzeitige Änderungen im Taktsignal, um das System in eine nicht vorgesehene Betriebsweise zu versetzen.
• Laserstrahlen: Einsatz von Lasern, um gezielt Halbleiterbereiche zu stören und Fehler zu generieren.

Die Auswirkungen von Fehlerinjektion auf das System können vielfältig sein, beispielsweise:

• Korruption von Zwischenspeichern oder Registern, was zu inkorrekten Berechnungen führt.
• Umgehung von Sicherheitsmechanismen durch gezielte Fehler in der Programmsteuerung.
• Extraktion geheimer Informationen, wie Schlüsselmaterial, indem Fehler in kryptografischen Algorithmen induziert werden.

• Abwehrmaßnahmen:

Um solche Angriffe zu erkennen und zu verhindern, könnte das Unternehmen sowohl physische als auch softwarebasierte Abwehrmaßnahmen implementieren:

• Physische Abwehrmaßnahmen:
• Störsichere Designtechniken: Einsatz robuster Designs, die gegenüber äußeren Störungen widerstandsfähig sind.
• Abschirmungen: Anwendung von physischen Barrieren oder Gehäusen, um den Zugang zu kritischen Komponenten zu erschweren.
• Sensoren: Einsatz von Sensoren, die Manipulationen, wie Änderungen in Temperatur oder Licht (z.B. Lasereinsatz), erkennen und Alarm auslösen.
• Detektionsalgorithmen: Implementierung von Algorithmen, die suspekte Veränderungen in der Betriebsspannung oder Taktrate erkennen und darauf reagieren.
• Softwarebasierte Abwehrmaßnahmen:
• Redundanz und Mehrfachberechnungen: Verwendung von mehrfach redundanten Berechnungen, sodass Fehler erkennbar werden, wenn die Ergebnisse nicht übereinstimmen.
• Fehlererkennungs- und Korrekturverfahren: Implementierung von Fehlerkorrekturverfahren, wie ECC (Error-Correcting Code), um Fehler zu erkennen und ggf. zu korrigieren.
• Kontinuierliche Überwachung und Anomaliedetektion: Einsatz von Überwachungsmechanismen, die kontinuierlich den Systemzustand überwachen und Anomalien identifizieren.
• Verifikation der Ergebnisse: Kontinuierliche Verifikation der Zwischenergebnisse wichtiger Berechnungen, um sicherzustellen, dass keine unerwarteten Fehler aufgetreten sind.
• Software-Detektion: Einsatz von Softwarelösungen, die unübliche Operationen oder Verhaltensweisen erkennen, die durch Fehlerinjektion verursacht werden könnten.

Durch die Kombination dieser physischen und softwarebasierten Maßnahmen kann das Unternehmen die Sicherheit seiner eingebetteten Hardware-Systeme erhöhen und die Bedrohung durch physische Angriffe wie Fehlerinjektion erkennen und verhindern.