¿Qué son los ataques de sincronización y cómo afectarán a la criptografía postcuántica?

La computación cuántica está a la vuelta de la esquina y, aunque muchas organizaciones están empezando a planificar la criptografía postcuántica (PQC), a menudo se pasa por alto un riesgo crítico: los ataques de sincronización. Estas vulnerabilidades pueden ser sutiles y difíciles de detectar, pero suponen una amenaza importante para las organizaciones y los criptosistemas.

Dado que la computación cuántica tendrá un profundo impacto en las estrategias SSL/TLS, es importante comprender plenamente la amplia gama de riesgos que introduce, incluidos aquellos que a primera vista podrían no parecer directamente relacionados. A continuación, examinamos la preocupación por los ataques de sincronización y lo que revelan sobre las implementaciones de PQC.

¿Qué es un ataque de sincronización?

Los ataques de sincronización entran en una peligrosa categoría de amenazas conocidas como ataques de canal lateral, un concepto descrito por primera vez por el criptógrafo Paul C. Kocher. A diferencia del criptoanálisis tradicional, que se centra en las debilidades de los algoritmos de cifrado, los ataques de canal lateral aprovechan la información indirecta filtrada durante el cálculo, como las variaciones de tiempo y el consumo de energía.

Con los ataques de sincronización, el foco se desplaza al tiempo que tardan algoritmos criptográficos específicos en procesar diferentes entradas. Midiendo cuidadosamente los tiempos de ejecución, los atacantes pueden detectar variaciones sutiles que pueden exponer inadvertidamente detalles sensibles sobre los procesos internos de un sistema.

Incluso las diferencias aparentemente menores en el tiempo de procesamiento pueden ser explotadas, permitiendo a los atacantes inferir detalles críticos sin romper el cifrado en sí. Debido a que estas vulnerabilidades surgen de detalles de implementación en lugar de fallas algorítmicas, pueden ser particularmente difíciles de detectar y mitigar.

Cómo funcionan los ataques de sincronización

La implementación práctica del ataque de sincronización puede ser un poco diferente dependiendo de las entradas, cómo se observan y las deducciones que finalmente hacen los atacantes. Sin embargo, a menudo estos exploits implican algunas estrategias o características principales:

• Operaciones de ramificación. Las declaraciones condicionales pueden influir en la ejecución, especialmente cuando ramas específicas requieren un procesamiento adicional (como suele ser el caso cuando se realizan operaciones excepcionalmente complejas). Basándose en la sincronización de las operaciones, los atacantes podrían obtener información sobre condiciones clave.
  
• Sincronización de caché. Pueden surgir diferencias significativas de sincronización si se accede a los datos desde la memoria caché de un sistema en lugar de la memoria principal. Los datos de la caché destacan dentro de las jerarquías de memoria porque se puede acceder a ellos muy rápidamente. Esto puede marcar la diferencia si los algoritmos necesitan acceder a valores guardados en la memoria caché.
  
• Operaciones matemáticas. Algunas operaciones criptográficas tardan más que otras, dependiendo de cómo los algoritmos realizan los cálculos y de cuántas rutas de ejecución están involucradas. Estas diferencias en los tiempos de ejecución pueden ser evidentes para los atacantes, y el tiempo de operación puede revelar información sobre las claves privadas. Por ejemplo, la complejidad inherente de la exponenciación puede introducir vulnerabilidades de tiempo significativas.
  
• Condiciones de carrera. Si varios procesos solicitan acceso a recursos al mismo tiempo, el resultado puede depender en última instancia del orden o el momento de estas acciones. Los atacantes pueden utilizar esta información de tiempo para obtener más información sobre las secuencias de operaciones. Con el tiempo, esto podría conducir a una fuga de información significativa.

¿Por qué los ataques de tiempo son una amenaza para la criptografía post-cuántica?

Los algoritmos criptográficos poscuánticos tienden a basarse en estructuras complejas (como la criptografía basada en redes), que a primera vista parecen proporcionar una protección superior contra una amplia gama de amenazas. Sin embargo, en realidad, esta protección puede no ser suficiente si los atacantes son capaces de observar diferencias sutiles en los mismos algoritmos que tienen como objetivo salvaguardar la información sensible. Si los algoritmos avanzados introducen variaciones de tiempo, los atacantes no necesitan romper el cifrado en sí, sino que pueden simplemente aprovechar pequeñas, pero significativas, fugas.

Este enfoque es especialmente preocupante a la luz de las estrategias de «recopilar ahora, descifrar después», en las que se recopilan datos cifrados, pero no se descifran inmediatamente; en su lugar, los atacantes esperan hasta que la computación cuántica esté disponible. Conocido como cifrado retrospectivo, este puede dirigirse a datos con una vida útil más larga. Es posible que las actividades de «recopilación» ya estén en marcha.

Los ataques temporales permiten a los actores de amenazas tomar ventaja, recopilando información filtrada temprano basándose en diferencias de tiempo. Esto podría causar problemas aún mayores cuando la computación cuántica sea ampliamente accesible.

Kyber KEM y la vulnerabilidad KyberSlash

El mecanismo de encapsulación de claves Kyber (KEM) pertenece a la familia Kyber de protocolos criptográficos, destinados a resistir ataques con ordenadores cuánticos. Seleccionado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) como parte de estrategias de preparación cuántica a gran escala, aprovecha la dificultad del problema de aprendizaje con errores (LWE), y el KEM facilita el intercambio seguro de claves entre las partes.

Desafortunadamente, han surgido vulnerabilidades de implementación: KyberSlash 1 y KyberSlash 2, que permiten a los atacantes determinar cuánto tiempo se tarda en realizar operaciones específicas. Como explica Jason Soroko, de Sectigo, en Root Causes, esto no es indicativo de debilidades en torno a CRYSTALS-Kyber, sino que representa un problema de implementación. Estas vulnerabilidades se han corregido y las medidas de seguridad siguen evolucionando para evitar riesgos similares en otros sistemas y algoritmos de PQC.

Defenderse contra los ataques de sincronización en PQC

Los ataques de sincronización representan un riesgo real al implementar PQC, pero con una implementación estratégica, estas preocupaciones pueden abordarse y la fuga de información puede evitarse. Mucho depende de los tiempos de ejecución y del grado en que varían. A medida que las diferencias de tiempo se oscurezcan o eliminen, será más difícil para los atacantes obtener información a través de la fuga, y los propios algoritmos seguirán siendo fuertes y eficaces.

Implementación de algoritmos de tiempo constante

Los algoritmos de tiempo constante representan una de las contramedidas más importantes contra los ataques de sincronización. Estos garantizan que, independientemente de las entradas específicas, el tiempo de ejecución siga siendo el mismo. El objetivo puede ser evitar ramificaciones o condiciones de ejecución, al tiempo que se abordan los patrones de acceso a la memoria.

Técnicas como el cegamiento RSA pueden resultar influyentes, ya que se basan en máscaras conocidas como factores de cegamiento para provocar aleatoriedad en el mensaje en cuestión. Esto dificulta que los atacantes obtengan información basada en el comportamiento de los algoritmos. Del mismo modo, la multiplicación de Montgomery ofrece cierta protección contra los ataques de canal lateral al evitar las operaciones de división directa (en las que el tiempo tiende a variar). Este enfoque también se ve favorecido por su eficiencia.

Introducción de la aleatorización para enmascarar las variaciones de tiempo

El cegamiento RSA representa solo una de las muchas estrategias para aprovechar la aleatoriedad. El relleno aleatorio puede elevar este esfuerzo al agregar ruido a las entradas o a la ejecución para ocultar tendencias o patrones en el comportamiento de los algoritmos. Con el relleno aleatorio en su lugar, los atacantes no pueden hacer deducciones confiables sobre los algoritmos y su comportamiento.

La ramificación aleatoria añade operaciones condicionales aleatorias a la mezcla, lo que permite a los algoritmos seleccionar diferentes ramas que pueden no ser estrictamente necesarias para la operación en cuestión. Esto aleatoriza las rutas de ejecución, lo que en última instancia hace que las diferencias de tiempo sean menos evidentes o significativas. Ambas estrategias tienen como objetivo dificultar a los atacantes la predicción o comprensión de las operaciones algorítmicas. Sin embargo, hay una compensación significativa que vale la pena señalar: estas mejoras de seguridad pueden conducir a una reducción de la eficiencia del rendimiento.

Defensas basadas en hardware

Algunas preocupaciones de sincronización pueden abordarse a nivel de hardware. Los enclaves seguros, por ejemplo, implican partes aisladas de CPU, capaces de proporcionar entornos de ejecución de confianza (TEE). Esto puede limitar la posibilidad de que las operaciones criptográficas se vean influidas por preocupaciones externas. Este aislamiento dificulta que los malos actores observen matices en la sincronización. Esto podría ayudar a imponer la ejecución en tiempo constante y también puede limitar el acceso a datos de canales laterales a nivel de hardware.

Los chips especializados podrían elevar aún más este esfuerzo si se optimizan para ejecutar de forma segura las operaciones criptográficas. Se prevén oportunidades adicionales de hardware en el futuro y, en el futuro, los procesadores pueden incluso venir equipados con protección incorporada contra ataques de sincronización.

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