Was sind Timing-Angriffe und wie werden sie sich auf die Post-Quanten-Kryptographie auswirken?

Quantencomputer stehen vor der Tür, und während viele Organisationen beginnen, für die Post-Quanten-Kryptographie (PQC) zu planen, wird ein kritisches Risiko oft übersehen: Timing-Angriffe. Diese Schwachstellen können subtil und schwer zu erkennen sein, stellen jedoch eine erhebliche Bedrohung für Organisationen und Kryptosysteme dar.

Da Quantencomputer einen tiefgreifenden Einfluss auf SSL/TLS-Strategien haben werden, ist es wichtig, die vielfältigen Risiken, die sie mit sich bringen, vollständig zu verstehen – auch solche, die auf den ersten Blick nicht direkt damit zusammenhängen. Im Folgenden untersuchen wir das Problem der Timing-Angriffe und was sie über PQC-Implementierungen verraten.

Was ist ein Timing-Angriff?

Timing-Angriffe fallen in die gefährliche Kategorie der Bedrohungen, die als Seitenkanalangriffe bekannt sind. Dieses Konzept wurde erstmals vom Kryptografen Paul C. Kocher beschrieben. Im Gegensatz zur herkömmlichen Kryptoanalyse, die auf Schwachstellen in Verschlüsselungsalgorithmen abzielt, nutzen Seitenkanalangriffe indirekte Informationen aus, die während der Berechnung durchgesickert sind, wie z. B. Zeitabweichungen und Stromverbrauch.

Bei Timing-Angriffen liegt der Fokus auf der Zeit, die bestimmte kryptografische Algorithmen benötigen, um verschiedene Eingaben zu verarbeiten. Durch sorgfältige Messung der Ausführungszeiten können Angreifer subtile Variationen erkennen, die versehentlich sensible Details über die internen Prozesse eines Systems preisgeben können.

Selbst scheinbar geringfügige Unterschiede in der Verarbeitungszeit können ausgenutzt werden, sodass Angreifer auf kritische Details schließen können, ohne die Verschlüsselung selbst zu brechen. Da diese Schwachstellen eher auf Implementierungsdetails als auf algorithmische Fehler zurückzuführen sind, können sie besonders schwer zu erkennen und zu beheben sein.

Wie Timing-Angriffe funktionieren

Die praktische Umsetzung des Timing-Angriffs kann je nach Eingaben, deren Beobachtung und den Schlussfolgerungen, die Angreifer letztendlich ziehen, etwas anders aussehen. Häufig beinhalten diese Exploits jedoch einige Hauptstrategien oder -merkmale:

• Verzweigungsoperationen. Bedingte Anweisungen können die Ausführung beeinflussen, insbesondere wenn bestimmte Verzweigungen eine zusätzliche Verarbeitung erfordern (wie es häufig bei der Ausführung einzigartig komplexer Operationen der Fall ist). Basierend auf dem Timing der Operation könnten Angreifer möglicherweise Einblicke in wichtige Bedingungen gewinnen.
  
• Cache-Timing. Es können erhebliche Timing-Unterschiede auftreten, wenn auf Daten aus dem Cache-Speicher eines Systems statt aus dem Hauptspeicher zugegriffen wird. Cache-Daten zeichnen sich innerhalb von Speicherhierarchien dadurch aus, dass auf sie besonders schnell zugegriffen werden kann. Dies kann einen Unterschied machen, wenn Algorithmen auf Werte zugreifen müssen, die im Cache-Speicher abgelegt sind.
  
• Mathematische Operationen. Einige kryptografische Operationen dauern länger als andere, je nachdem, wie Algorithmen Berechnungen durchführen und wie viele Ausführungspfade beteiligt sind. Diese Unterschiede in den Ausführungszeiten können für Angreifer offensichtlich sein, wobei die zeitliche Abfolge der Operationen möglicherweise Einblicke in private Schlüssel gibt. Beispielsweise kann die inhärente Komplexität der Potenzierung zu erheblichen zeitlichen Schwachstellen führen.
  
• Race Conditions. Wenn mehrere Prozesse gleichzeitig einen Ressourcenzugriff anfordern, kann das Ergebnis letztendlich von der Reihenfolge oder dem Zeitpunkt dieser Aktionen abhängen. Angreifer können diese Zeitinformationen nutzen, um mehr über die Abfolge von Vorgängen zu erfahren. Im Laufe der Zeit könnte dies zu erheblichen Informationslecks führen.

Warum stellen Timing-Angriffe eine Bedrohung für die Post-Quanten-Kryptografie dar?

Post-Quanten-kryptografische Algorithmen basieren in der Regel auf komplexen Strukturen (wie gitterbasierte Kryptografie), die auf den ersten Blick einen hervorragenden Schutz gegen eine Vielzahl von Bedrohungen bieten. In der Realität ist dieser Schutz jedoch möglicherweise nicht ausreichend, wenn Angreifer in der Lage sind, subtile Unterschiede in den Algorithmen selbst zu beobachten, die eigentlich dem Schutz sensibler Informationen dienen. Wenn fortschrittliche Algorithmen Timing-Variationen einführen, müssen Angreifer nicht die Verschlüsselung selbst knacken – sie können sich einfach kleine, aber signifikante Lecks zunutze machen.

Dieser Ansatz ist besonders besorgniserregend im Hinblick auf die Strategien „Jetzt sammeln, später entschlüsseln“, bei denen verschlüsselte Daten gesammelt, aber nicht sofort entschlüsselt werden – stattdessen warten die Angreifer, bis Quantencomputer allgemein verfügbar sind. Diese als retrospektive Verschlüsselung bekannte Methode kann auf Daten mit einer längeren Haltbarkeit abzielen. Es ist möglich, dass die „Ernte“-Aktivitäten bereits in vollem Gange sind.

Zeitangriffe ermöglichen es Bedrohungsakteuren, einen Vorsprung zu erlangen, indem sie frühzeitig durchgesickerte Informationen auf der Grundlage von Zeitunterschieden sammeln. Dies könnte noch größere Probleme verursachen, wenn Quantencomputer allgemein zugänglich werden.

Kyber KEM und die KyberSlash-Schwachstelle

Der Kyber Key Encapsulation Mechanism (KEM) fällt unter die Kyber-Familie kryptografischer Protokolle, die Angriffen mit Quantencomputern standhalten sollen. Vom National Institute of Standards and Technology (NIST) als Teil breit angelegter Strategien zur Vorbereitung auf Quantencomputer ausgewählt, nutzt dieser die Härte des Problems „Learning With Errors (LWE)“, wobei KEM den sicheren Austausch von Schlüsseln zwischen den Parteien erleichtert.

Leider sind bei der Implementierung Schwachstellen aufgetreten – KyberSlash 1 und KyberSlash 2, die es Angreifern ermöglichen, die Dauer bestimmter Vorgänge zu ermitteln. Wie Jason Soroko von Sectigo in Root Causes erklärt, deutet dies nicht auf Schwächen im Zusammenhang mit CRYSTALS-Kyber hin, sondern stellt vielmehr ein Problem bei der Implementierung dar. Diese Schwachstellen wurden behoben, und die Sicherheitsmaßnahmen werden weiterentwickelt, um ähnliche Risiken in anderen Systemen und PQC-Algorithmen zu verhindern.

Abwehr von Timing-Angriffen in PQC

Timing-Angriffe stellen bei der Implementierung von PQC ein echtes Risiko dar, aber mit einer strategischen Implementierung können diese Bedenken ausgeräumt und Informationslecks vermieden werden. Viel hängt von den Ausführungszeiten und dem Grad ihrer Variabilität ab. Wenn Zeitunterschiede verschleiert oder beseitigt werden, wird es für Angreifer schwieriger, durch Datenlecks an Informationen zu gelangen – und die Algorithmen selbst bleiben stark und effektiv.

Implementierung von Algorithmen mit konstanter Zeit

Algorithmen mit konstanter Zeit stellen eine der wichtigsten Gegenmaßnahmen gegen Timing-Angriffe dar. Sie stellen sicher, dass die Ausführungszeit unabhängig von den spezifischen Eingaben gleich bleibt. Dadurch können Ausführungszweige oder -bedingungen vermieden und gleichzeitig Speicherzugriffsmuster berücksichtigt werden.

Techniken wie RSA-Blinding können sich als einflussreich erweisen, da sie auf Masken basieren, die als Blinding-Faktoren bekannt sind, um Zufälligkeit in der betreffenden Nachricht zu erzeugen. Dadurch wird es für Angreifer schwieriger, auf der Grundlage des Algorithmusverhaltens Erkenntnisse zu gewinnen. In ähnlicher Weise bietet die Montgomery-Multiplikation einen gewissen Schutz vor Seitenkanalangriffen, indem direkte Divisionsoperationen vermieden werden (bei denen das Timing tendenziell variiert). Dieser Ansatz wird auch wegen seiner Effizienz bevorzugt.

Einführung von Randomisierung zur Maskierung von Timing-Schwankungen

Die RSA-Blinding-Methode ist nur eine von vielen Strategien zur Nutzung der Randomisierung. Random Padding kann diesen Aufwand erhöhen, indem es Rauschen zu den Eingaben oder zur Ausführung hinzufügt, um Trends oder Muster im Verhalten von Algorithmen zu verschleiern. Mit Random Padding können Angreifer keine zuverlässigen Rückschlüsse auf Algorithmen und ihr Verhalten ziehen.

Bei der zufälligen Verzweigung werden zufällige bedingte Operationen hinzugefügt, sodass Algorithmen verschiedene Verzweigungen auswählen können, die für die betreffende Operation möglicherweise nicht unbedingt erforderlich sind. Dadurch werden die Ausführungspfade zufällig festgelegt, sodass Timing-Unterschiede letztendlich weniger offensichtlich oder bedeutsam sind. Beide Strategien zielen darauf ab, algorithmische Vorgänge für Angreifer schwer vorhersehbar oder verständlich zu machen. Es gibt jedoch einen erheblichen Kompromiss, der erwähnenswert ist: Diese Sicherheitsverbesserungen können zu einer geringeren Leistungseffizienz führen.

Hardwarebasierte Abwehrmaßnahmen

Einige Timing-Probleme können auf Hardware-Ebene gelöst werden. Sichere Enklaven umfassen beispielsweise isolierte Teile von CPUs, die in der Lage sind, vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen (TEEs) bereitzustellen. Dadurch kann das Potenzial für die Beeinflussung kryptografischer Operationen durch externe Faktoren eingeschränkt werden. Diese Isolierung erschwert es Angreifern, Timing-Nuancen zu beobachten. Dies könnte dazu beitragen, die Ausführung mit konstanter Zeit durchzusetzen, und auch den Zugriff auf Seitenkanaldaten auf Hardware-Ebene einschränken.

Spezialisierte Chips könnten diesen Aufwand weiter erhöhen, wenn sie für die sichere Ausführung kryptografischer Operationen optimiert sind. In Zukunft werden weitere Hardware-Möglichkeiten erwartet, und in Zukunft könnten Prozessoren sogar mit einem integrierten Schutz gegen Timing-Angriffe ausgestattet werden.

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Von der Minderung von Seitenkanalrisiken bis hin zur Gewährleistung nahtloser kryptografischer Übergänge steht Sectigo an der Spitze der Post-Quanten-Kryptografie und liefert innovative Lösungen für eine quantensichere Zukunft. Über Sectigos Quantum Labs bieten wir Unternehmen fachkundige Beratung und einen strukturierten Plan für die Post-Quanten-Bereitschaft. Unsere Q.U.A.N.T.-Strategie stattet Unternehmen mit den Werkzeugen und dem Wissen aus, die für einen reibungslosen Übergang erforderlich sind, während ihre kryptografische Infrastruktur geschützt wird.

Ein weiterer wichtiger Schritt, den Unternehmen jetzt unternehmen können, um sich auf Quantencomputer vorzubereiten, ist die Implementierung von Sectigo Certificate Management (SCM). Diese Lösung ist darauf ausgelegt, den gesamten Lebenszyklus jedes digitalen Zertifikats in einer Unternehmensumgebung zu automatisieren und so die Fähigkeit zu gewährleisten, sich schnell an sich entwickelnde kryptografische Standards anzupassen, ohne den Betrieb zu unterbrechen.

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