È davvero impossibile dire cosa sta facendo una CPU? [chiuso]

I programmatori di computer spesso recitano il mantra secondo cui le istruzioni x86 sono totalmente opache: Intel ci dice che stanno facendo qualcosa, ma non c'è speranza che qualcuno possa verificare cosa sta succedendo, quindi se l'NSA dice loro di eseguire il backdoor dei loro RNG, allora non possiamo davvero fare qualcosa al riguardo.

Bene, credo che i programmatori di computer non possano fare nulla per questo problema. Ma come potrebbe attaccarlo un ingegnere elettrico? Esistono tecniche che un ingegnere elettrico potrebbe utilizzare per verificare che un circuito esegua effettivamente le operazioni descritte nelle sue specifiche e nessun'altra operazione?

Il miglior articolo che ho letto sull'argomento è "Stealthy Dopant-Level Hardware Trojan" (Becker et al) del 2014.

Dal momento che il circuito modificato appare legittimo su tutti gli strati di cablaggio (compresi tutti i metalli e polisilicio), la nostra famiglia di Trojan è resistente alla maggior parte delle tecniche di rilevamento, tra cui l'ispezione ottica a grana fine e il controllo contro i "chip dorati". Dimostriamo l'efficacia del nostro approccio inserendo i Trojan in due progetti: una post-elaborazione digitale derivata dal design RNG crittograficamente sicuro di Intel utilizzato nei processori Ivy Bridge e un'implementazione SBox resistente ai canali laterali e esplorando la loro rilevabilità e i loro effetti sulla sicurezza.

Il documento descrive come viene effettuata la modifica, come è estremamente difficile rilevare dall'ispezione del silicio, le tecniche per nasconderlo dal test di produzione e come può essere fatto per ridurre la sicurezza di un crittografia hardware RNG o per perdere informazioni chiave attraverso un canale laterale power-rail di un'implementazione AES.

I canali laterali sono un campo di interesse emergente. Intel è stata afflitta da problemi relativi all'esecuzione speculativa che trapelano informazioni dalla memoria che non sono state nemmeno utilizzate dal programma. Potrebbe essere stato un difetto di progettazione deliberato? È quasi impossibile dirlo.

Esistono tecniche che un ingegnere elettrico potrebbe utilizzare per verificare che un circuito esegua effettivamente le operazioni descritte nelle sue specifiche e nessun'altra operazione?

In teoria, sì, penso che sia possibile. Tuttavia, per una CPU complessa ci vorrà molto tempo e denaro. Inoltre, se non conosci e comprendi appieno il progetto, non sarai in grado di giudicare se qualsiasi attività è "legittima" o meno.

Una CPU è "solo" un complesso circuito digitale costituito da molte celle logiche.

È possibile decodificare il chip e ricostruire il progetto osservando le connessioni metalliche. Possono esserci molti di questi layer di connessione come fino a 8 layer o più.

Avrai bisogno di esperti nel campo per riconoscere le celle logiche e quindi forse alcuni software possono capire come sono tutti collegati in modo da poter ricostruire la netlist.

Una volta che hai la netlist "conosci" il design. Ciò non significa che ora sai anche come funziona!

È possibile che una determinata funzione attivi 2 sezioni del progetto mentre pensi che una dovrebbe essere sufficiente in modo da sospettare che siano in corso attività sospette. Tuttavia, il design fa qualche trucco intelligente che non conosci per accelerare le operazioni.

Senza conoscere e comprendere il progetto, qualsiasi conclusione che trarre potrebbe essere ancora errata. Solo gli ingegneri che hanno progettato la CPU hanno tutte le informazioni di progettazione e hanno le migliori possibilità di essere in grado di capire o indovinare cosa succede realmente o dovrebbe succedere in una CPU.

Bene, credo che i programmatori di computer non possano fare nulla per questo problema. Ma come potrebbe attaccarlo un ingegnere elettrico?

Non ci sono buoni modi per trovare backdoor, un modo per trovare un backdoor hardware sarebbe testare combinazioni o istruzioni non documentate. Ecco una bella chiacchierata di qualcuno che lo fa effettivamente e fa audit sull'hardware x86 . Questo può essere fatto senza rompere il chip. Un problema con Intel (non sono sicuro di altri chip) è che in realtà ha un processore con Linux in esecuzione su di esso, quindi c'è anche un software in esecuzione su alcuni processori e non si ha accesso a quello presumibilmente.

Esistono tecniche che un ingegnere elettrico potrebbe utilizzare per verificare che un circuito esegua effettivamente le operazioni descritte nelle sue specifiche e nessun'altra operazione?

Esistono modi per testare l'utilizzo dell'hardware stesso per testare la funzionalità. Poiché x86 ha una parte non documentata del suo set di istruzioni, sarebbe insolito introdurre backdoor nelle normali istruzioni perché introdurrebbe la possibilità di bug (come se avessi una backdoor in un'istruzione add o mult), quindi il primo posto dove cercare sarebbe nelle istruzioni non documentate.

Se fosse necessario testare la funzionalità delle istruzioni regolari, è possibile controllare il tempo necessario per eseguire le istruzioni, osservare la quantità di energia necessaria per eseguire le istruzioni per vedere se ci sono differenze rispetto a quanto ci si aspetterebbe.

L'unico modo sarebbe quello di ridurre lo strato di chip per strato e registrare ogni transistor con un microscopio elettronico, quindi inserirlo in una sorta di programma di simulazione e poi guardarlo correre.

Questo è essenzialmente il problema della scatola nera in cui si tenta di ricostruire gli interni dalla misurazione di ingressi e uscite. Una volta che la complessità degli interni, o il numero di I / O, supera il banale c'è un'esplosione combinatoria in cui il numero di possibili stati interni diventa astronomico. Dove vengono lanciati numeri come Googol .

Provare che la CPU non sta facendo qualcosa di subdolo è straordinariamente difficile. L'esempio classico è una macchina per il voto. Se ha un solo bit in esso che prende una copia del tuo voto e poi lo intrufola in qualche dittatore, potrebbe essere la vita o la morte per te in alcuni punti. E provare che non c'è un solo pezzo del genere tra i miliardi è piuttosto difficile.

Potresti pensare di isolare fisicamente il chip, quindi è pratico vedere che non ci sono collegamenti dei cavi non corretti. E inserendo un altro chip, o più di un chip in serie (da diverse fonti) nella sua connessione di rete, ciò garantisce che si connetta solo nel posto giusto. Quindi accendi e riaccendi dopo aver espresso il tuo voto. E sperando che non ci siano bit non volatili lì dentro. O subdole connessioni wireless. Ma ti fideresti della tua vita?

La trasmissione di dati all'NSA richiederà l'accesso alla rete, quindi sarà abbastanza facile individuare tale backdoor eseguendo un sistema operativo con servizi di rete disabilitati e controllando il traffico delle interfacce di rete. Per un sistema operativo open-source è anche possibile eseguire con il pieno supporto di rete e individuare connessioni non autorizzate dal loro IP di destinazione che non corrisponderà a nessun indirizzo al quale il sistema operativo potrebbe legittimamente accedere.

Una backdoor basata su RNG senza trasmissione di dati avrà un'utilità molto limitata. A meno che l'RNG della CPU non sia l' unica fonte di entropia, le possibilità che tale backdoor offrano alcun vantaggio all'attaccante senza essere ovvi allo stesso tempo sono praticamente zero . A meno che non insista sul fatto che la teiera di Russel sia là fuori nonostante non abbia buone ragioni per esistere, dovresti essere in grado di applicare lo stesso argomento alle backdoor dell'RNG hardware.