侧信道攻击研究——TIMING

 

一. 引言

大家好，我是来自银基安全实验室的Cure，今天为大家介绍侧信道攻击方法之一，Timing侧信道。

随着软件安全攻防技术的螺旋式进步，安全隐患也更加多样化，有关静态分析、动态调试、远程渗透的技术技巧层出不穷。而侧信道攻击，作为一种剑走偏锋的攻击方式，也愈发引起业界的重视。

与常规攻击方法不同，侧信道攻击的关注点不再是系统的直观行为，而是由系统行为引起的诸如执行时间、功率损耗、无线电信号等间接表现的变化。所谓Timing侧信道，即基于执行时间的差异而进行的侧信道攻击。这种攻击在web服务场景或其他网络应用的场景都存在着一定程度上的适用性，更可以与其他手段进行配合。

本文首先从一个简单示例入手，介绍Timing侧信道的原理；再给出一个基于C语言实现的简单Demo，以更清晰地表述Timing侧信道的操作方法。

本文提供的技术探索与Demo，仅起到抛转引玉的作用，希望能够为初学者提供些许思路与参考。

 

二. Timing侧信道概念

Timing侧信道通过系统在不同行为流程下所表现出的执行时间差异，推断有用的信息，以达成或辅助攻击。本章给出一个基于泛化PHP代码的概念性介绍。

假设Web 网站采用了如下代码：

 

 

其逻辑可以简要归纳为：

① 若用户名不存在，则登录失败；

② 若用户名存在但密码不正确，则登录失败；

③ 只有当用户名和密码都正确，才返回成功。

其中，逻辑①的道理在于，当发生基于字典的爆破攻击时，由于涉及的查表列数只有1列，能够一定程度上减小服务器的开销。同时，由于逻辑①和逻辑②返回的信息字符串完全相同，避免了攻击者根据该信息判断出用户名是否存在，而进行后续的针对性的爆破。

然而，看似缜密的设计仍然能够受到Timing侧信道的有效攻击。具体方式如下：

① 攻击者从本地提交post请求，其中，变化username，而保持password为任意固定值，例如“123456”。

② 攻击者统计每次从发出请求起到收到服务器回执所耗费的时间，对于同一组用户名和密码，也可以通过测量多次取平均值、中值等方法消除网络延迟引入的时间抖动。

③ 对于统计时间较长的请求，认为其所对应的用户名是存在的。

④ 基于存在的用户名，进一步发动针对性的爆破。

本例中，Timing侧信道的立足点在于用户名是否存在所引入的访问时间的差异。具体地，若用户名不存在，则网站服务器仅执行逻辑①的相关判断，所耗费时间较短；若用户名存在，则网站服务器还需额外执行逻辑②的判断（即使密码错误），所耗费时间较长。由此，虽然用户名存在与否对返回的信息字符串并无影响，但攻击者可以从消耗时间长短不同的角度入手，推断出真正存在的用户名。

 

三. Timing侧信道Demo

本章首先阐述Demo对应的场景，再给出攻击思路，最后展示Timing侧信道攻击的实施方法与运行效果。

 

3.1 场景说明

本demo模拟了出题人和解题人的交互。

① 出题人设定了一个字符串secret（内容为happy），不直接公布其内容，如下图所示。

② 出题人提供了一个猜测其内容的接口guess_the_secret，该接口接收一个所猜测字符串作为参数，并返回猜测是否正确的结果。出题人对该接口的调用次数不设置限制。接口实现如下图所示。

其中，old_strcmp的实现采用了旧版C库的常见实现方式，即字符串逐个对比法，具体代码如下图所示。

③ 解题人可以通过编写相应程序调用该guess_the_secret并取得返回值不断猜测，直至找出出题人设定的字符串。若找到，则解题成功。

 

3.2 攻击思路

本节给出算法复杂度较高的直观方法和算法复杂度较低的Timing侧信道方法。

3.2.1 直观方法

直观上，解题人可以采用暴力遍历的方法对目标字符串进行破解，大体思路如下：

① 规定一个由目标答案中可能涉及的字符组成的字符集。

② 设置字符串长度为1，遍历地构造字符串，对所构造字符串调用guess_the_secret接口，查询其是否为目标字符串。

③ 以1为间隔，逐步增加所构造字符串的长度，重复进行过程②，直至找到答案。

然而，上述方法引入了指数级的时间复杂度，消耗资源较多，尤其在目标答案很长的情况下，不具备短时间内解决问题的实操性。

3.2.2 Timing侧信道方法

本Demo中，出题人提供的guess_the_secret接口调用的是基于逐字符对比的字符串比较函数，该函数的实现存在安全问题：当攻击者使用不同的字符串进行试探时，若所构造字符串与目标字符串从首字符起匹配的内容较长，则函数执行耗时较长；若匹配内容较短，则函数执行耗时较短，即，执行时间的差异一定能够反映两个字符串的匹配度，这正是Timing侧信道所依赖的攻击点。

故而，解题者可以基于“可能存在逐字符对比”的前提下，尝试性地发动Timing侧信道攻击，若不成功，再考虑其他方法或降级至3.2.1所述的直观方法。

值得注意的是，Timing测信道方法提供的时间复杂度不再是指数级，而是O(n)级，具体原因不妨结合3.3进行理解。

 

3.3 攻击实施

本Demo中，Timing侧信道攻击的具体实施方案如下。

① 依次尝试使用a, b, c，…, z等长度为1的字符串，用其作为参数，调用guess_the_secret接口。其中，h字符串与目标字符串happy的第一个字符对比成功，进而进入第二个字符的操作阶段，耗时较长；而其他字符串与目标字符串happy在第一个字符就对比失败，直接返回，耗时较短。由此，比较各执行时间得知，h是目标字符串的第一个字符。

② 固定h，依次在其后接a, b, c，…, z，并将这些长度为2的字符串，分别作为参数调用guess_the_secret接口。类似地，ha字符串作参数时，执行时间最长，而其他h*字符串的执行时间则略短。由此，比较各执行时间得知，ha是目标字符串的前两个字符。

③ 依此类推 …

④ 经过以happ*（*为a到z）为参数调用guess_the_secret接口，并对比执行时间，确定第五个字符为y。由于以happy为参数调用guess_the_secret返回值为0，故猜测终止，得到题解即happy。

其中，对各字符进行猜测的示例代码如下图所示。

其中，字符集范围选择了a-z。同时，通过rdtsc指令进行高精度的时间获取与执行时间测量，进一步地，通过多次执行对单词消耗的时间进行放大，使得不同字符之间的时间差异更加明显。最终，通过遍历字符集，选取出耗时最长的情形所对应的字符，并认为该字符即目标字符串当前位置的字符。

本例的执行效果如下图所示。

本Demo中，通过Timing侧信道攻击，将解题所需要的指数级时间复杂度简化为O(n)级时间复杂度，故而能够迅速取得结果。

 

四. Timing侧信道的防御

基于前面的讨论，本章给出针对Timing侧信道的一些防御手段，供参考。

① 对于安全敏感的业务逻辑，减少不必要的分支，使得同一业务逻辑在不同场景下的耗时尽可能相近。

② 针对涉及网络传输的场景，可以在报文中引入MAC作为校验，以降低攻击者通过中间人方式获得原始传输内容，并通过调整内容实施Timing侧信道攻击的可行性。

③ 针对诸字符串对比场景，可选方法如下：

1> 可以引入hash操作。例如，对于安全敏感场景，不再诸个字符地对比两个字符串，而是逐个字符地对比两个字符串的hash值。

例如，自首个字符起局部匹配的两个字符串，其hash值可能相差极大，对比过程会立刻返回，这样一来，无法通过调整局部匹配的长度可控地影响对比时间，从而使Timing侧信道失效。

2> 可以采用已知安全的库函数或实现相对更加安全的constant-time对比操作。

示例实现为：

值得注意的是，该方法中，同样存在Timing侧信道攻击点，然而，通过攻击只能得到秘密字符串的长度，而当秘密字符串很长时，爆破其具体内容仍然是十分困难的。

 

参考文献

[1] Mayer J S D, Sandin J. Time trial: Racing towards practical remote timing attacks[J]. Black Hat US Briefings, 2014.