Цифровой журнал «Компьютерра» № 191

Идея генератора (псевдо)случайных чисел с полностью цифровой природой долгое время казалась странной, если не абсурдной. Ведь состояние любой цифровой схемы всегда жёстко детерминировано и предсказуемо. Как внести в неё необходимый элемент случайности, если нет аналоговых компонентов?

Попытки получить желанный хаос на базе только цифровых элементов предпринимались инженерами Intel с 2008 года и увенчались успехом через пару лет изысканий. Работа была представлена в 2010 году на летнем симпозиуме VLSI в Гонолулу и произвела маленькую революцию в современной криптографии. Впервые полностью цифровой, быстрый и энергоэффективный ГПСЧ был реализован в серийно выпускаемых процессорах общего назначения.

_{Процессор Сore i7-3770K архитектуры Ivy Bridge со встроенным генератором (псевдо)случайных чисел (фото: thg.ru).}

Его первое рабочее название было Bull Mountain. Затем его переименовали в Secure Key. Этот криптографический блок состоит из трёх базовых модулей. Первый генерирует поток случайных битов с относительно медленной скоростью — 3 Гбит/с. Второй оценивает их дисперсию и объединяет в блоки по 256 бит, которые используются как источники случайного начального заполнения. После ряда математических процедур в третьем блоке с более высокой скоростью генерируется поток случайных чисел длиной 128 бит. На их основе с помощью новой инструкции RdRand при необходимости создаются и помещаются в специально отведённый регистр случайные числа требуемой длины: 16, 32 или 64 бита, которые в итоге и передаются запросившей их программе.

Ошибки в генераторах (псевдо)случайных чисел и их злонамеренные модификации стали причиной утраты доверия к популярным криптографическим продуктам и самой процедуре их сертификации.

По причине исключительной важности ГПСЧ для любой криптографической системы в Secure Key были встроены тесты для проверки качества генерируемых случайных чисел, а для сертификации привлекли ведущие экспертные группы. Весь блок соответствует критериям стандартов ANSI X9.82 и NIST SP 800-90. Вдобавок он сертифицирован на уровень 2 в соответствии с требованиями NIST FIPS 140-2.

Как мы увидим дальше, ни ответственный подход при разработке, ни расширенная сертификация не защитили криптографический блок от реальной возможности скрытой и недетектируемой модификации.

До сих пор большинство работ об аппаратных троянах носило гипотетический характер. Исследователями предлагались добавочные конструкции из небольших логических цепей, которые следовало каким-то образом добавить в существующие чипы. Например, Сэмюэл Талмадж Кинг (Samuel Talmadge King) с соавторами представил на конференции LEET-08 вариант такого аппаратного трояна для центрального процессора, который предоставлял бы полный контроль над системой удалённому атакующему. Просто отправив сконфигурированный определённым образом UDP-пакет, можно было бы сделать любые изменения на таком компьютере и получить неограниченный доступ к его памяти. Однако дополнительные логические цепи сравнительно просто определить при микроскопии, не говоря уже о специализированных методах поиска таких модификаций. Группа Беккера пошла другим путём:

Вместо того чтобы подключать к чипу дополнительную схему, мы внедрили наши закладки аппаратного уровня, просто изменив работу некоторых уже имеющихся в нём микротранзисторов. После ряда попыток нам удалось выборочно изменить полярность допанта и внести желаемые модификации в работу всего криптографического блока. Поэтому наше семейство троянов оказалось стойко к большинству методов обнаружения, включая сканирующую микроскопию и сравнение с эталонными чипами».

_{Преобразователь состоит из p- и n-канального МОП-транзисторов (вверху и внизу рисунка соответственно), соединённых стоками через металлический слой (а). Троян внедряется путём выборочного изменения полярности допанта p-канального МОП-транзистора. Вывод на положительном контакте (VDD) оказывается постоянным и не зависит от исходных случайных чисел (изображение: Georg T. Becker et al.).}