翻译自:https://blog.trailofbits.com/2018/08/14/fault-analysis-on-rsa-signing/


前言

今年春天和夏天的时候,我在Trail of Bits实习,研究了针对RSA签名的故障攻击建模。我查阅了使用中国剩余定理(CRT)的RSA签名优化和会泄露私钥的诱发性计算错误。
我分析了低级别的故障攻击,而不是数学上下文。在分析了一个toy program、一个mbed TLS的RSA实现后,我确定了在翻转时会在内存中泄露私钥的比特位。

使用RSA-CRT的签名过程

通常来说,RSA签名会使用这个算法:其中,s代表签名,m代表明文信息,d代表私有指数,n代表公钥。这个算法是有效的,但是如果是为了安全起见,使用的数值增加到所要求的的大小之后,计算将会花费相当长一段时间。因此,许多加密库使用中国剩余定理(CRT)来加快解密和签名的速度。CRT将单个大型的计算分割成两个较小的计算,之后再把计算结果拼接起来。

给定私有指数d,我们计算两个值,dp=d (mod (p-1))dq=d (mod (q-1))

然后我们使用这两个值分别计算两个部分签名;第一个部分签名 第二个部分签名 p (mod q)q (mod p)的逆都是可以计算出来的,两个部分签名结合到一起形成一个最终签名s,即

故障攻击

当两个部分签名中的一个(我们假设是s2,使用q计算生成)不正确时,问题就会出现。

最终签名由两个部分签名合并而成。我们可以通过比较原始信息和 来验证签名是否正确,其中e是公有指数。然而,在有故障的签名中,依然和m相等,但是 则不相等。

此时,p 的一个因子,而q不是。
因为p同时也是n的一个因子,所以攻击者可以通过计算n 的最大公因子来得到pn直接除以p就可以得到q,所以攻击者就知道了两个密钥。

使Toy Program产生故障

我开始用C写了一个toy program,使用中国剩余定理进行RSA签名。这个程序不包含填充和检查,使用标准的RSA签署相当小的数字。我使用调试器手动修改其中一个部分签名,最后产生了一个故障签名,我写了一个Python程序,使用故障签名计算出了私钥,并成功解密了另一个加密信息。我尝试在签名的各个不同阶段修改数据,看看我是不是还能提取出私钥。当我手动执行这些故障攻击时,我感觉很舒适,之后我开始把流程自动化。

用Manticore翻转比特位

我使用Binary Ninja来查看我的程序的反汇编并确定我感兴趣的数据的内存位置。当我试图解出私钥时,我能知道在哪里查看。然后我安装并学习了如何使用Manticore,这是由Trail of Bits开发的二进制分析工具,我将用它来进行故障攻击。

我写了一个Manticore脚本,它将迭代每个连续的内存字节,通过翻转字节中的比特位来改变指令,并执行RSA签名。对于每一次没有导致崩溃或超时的执行,我尝试从输出里提取私钥。我通过尝试解密另一条消息来检查它们是否正确。我生成了每个位翻转的中间和最终结果的CSV文件,结果包括部分签名,私钥,以及私钥是否正确。


图1.在toy program中寻找导致错误的地址的部分代码

结果

我总共测试了938个位翻转,发现其中45个,或者说4.8%,成功的生成了正确的私钥。接近55%的位翻转会导致崩溃或超时,意味着程序无法产生签名。大约有31%的位翻转没有修改部分签名。


图2. 分析代码的输出


图3. toy program的位翻转结果

这种自动化为挖掘类似的漏洞提供了巨大的速度提升,你只需简单的向Manticore描述一下漏洞,就会得到一个全面的漏洞利用方法表。如果能引入一些不严密的错误(例如使用Rowhammer),这个方法将特别有用,你可以找到在翻转时泄露私钥的位簇。

使mbed TLS产生故障

在有了我的toy program的翻转结果文件之后,我找了一个真实的加密库来破解。我选择了mbed TLS,它主要应用在嵌入式系统上。因其比我写的程序复杂得多,我花了很长一段时间研究mbed TLS的源码,以便在编译前弄懂RSA的签名过程,并使用Binary Ninja查看了二进制文件的反汇编。

mbed TLS和我的toy program之间的一个关键不通点是使用mbed TLS的签名会被填充。我试图建模的故障攻击仅适用于确定性填充,给定的消息将始终产生相同的填充值,而不是使用概率性的方案。尽管mbed TLS已经可以实现许多种不同的填充方案,我另外还查看了使用PKCS#1 v1.5的RSA签名,PKCS#1 v1.5是一种用更复杂的随机PSS填充方案的确定性替代方案。我再次使用调试器来定位目标数据,当我知道我要读取的内存位置时,我使其中一个部分签名产生错误,并生成一个错误的签名。

然而,我很快意识到,有一些运行时检查可以阻止我进行故障类的攻击。特别是在两次检查失败后,程序会停止执行,输出一个错误信息,不产生签名。我使用调试器跳过检查,然后产生我需要的故障签名。

通过故障签名和所有的公钥数据,我可以复制在我的toy program中成功提取出私钥的过程。

自动化攻击

就像我在toy program中做的一样,我尝试自动化故障攻击并识别出会泄露私钥的位翻转。为了加快进程,我写了一个GDB脚本,而没有使用Manticore。我找到了一些可以跳过两个检查的翻转位,这两个检查通常会阻止我创建故障签名。我使用GDB来改变这两个内存指令,在与toy program相同的过程中,我在指定的内存地址中额外地翻转了一位。然后我使用Python循环遍历内存中的每一个字节,调用此脚本,尝试提取私钥,同样通过尝试解密另一条消息来检查它们是否正确。我收集了所有解出来的私钥,并把所有位翻转的结果写入到一个CSV文件中。

图4. 在mbed TLS中寻找导致错误的地址的部分代码


图5. 从Python调用的用于在mbed TLS中引发故障的GDB脚本部分代码

结果

我测试了566位翻转,都在mbed TLS实现签名部分的代码中。结果确保检查通过的两位翻转,发现其中28个——接近5%——泄露了私钥。大约55%未能产生签名。


mbed TLS的位翻转结果

事实上这种分析适用于真实程序是很令人兴奋的,但不幸的是,在我能在“真实的世界”中测试它之前,我已经把夏天的时间花光了。尽管如此,输入真实TLS代码和全面描述针对它的故障攻击是令人兴奋的,并为未来的研究提供了迷人的可能性。

结论

我喜欢在Trail of Bits工作。我对密码学有了更深的了解,并熟悉了安全工程师使用的一些工具。这是一次美妙的体验,我很高兴能在新的一年开始时将我学到的所有知识应用到卡内基梅隆大学的课程和项目中去。

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