Tamperbeveiliging: hoe chips en apparaten zich verzetten tegen geknoei
Denk aan een potje medicijnen met een foliezegel over de dop. Zolang de folie intact is, weet je zeker dat niemand aan de inhoud heeft gezeten. Is de folie gescheurd, dan trek je geen conclusies meer over wat erin zit: het vertrouwen is weg. Tamperbeveiliging (van het Engelse to tamper, knoeien of sleutelen) is precies dit principe, maar dan toegepast op elektronica, chips en apparaten die gevoelige informatie bevatten, zoals cryptografische sleutels, betaalgegevens of besturingssoftware.
Waar een foliezegel alleen laat zíen dat er is geknoeid, gaat tamperbeveiliging in de digitale wereld vaak een stap verder. Een goed beveiligde chip kan geknoei niet alleen detecteren, maar er ook automatisch op reageren: bijvoorbeeld door in een fractie van een seconde alle geheime sleutels te wissen zodra iemand probeert de behuizing open te boren. Zo voorkom je dat een aanvaller met een schroevendraaier en een laboratorium alsnog bij de geheimen komt, ook al heeft hij het apparaat fysiek in handen.
Wat is het precies?
Binnen tamperbeveiliging onderscheiden specialisten meestal drie niveaus, die vaak worden gecombineerd in één product.
Tamper-evidence (geknoei zichtbaar maken) is het lichtste niveau: net als de foliezegel laat het apparaat achteraf zien dát er is geprutst, bijvoorbeeld via een sticker die "VOID" (ongeldig) toont zodra hij wordt losgetrokken, of een kras in een lakje over een schroef.
Tamper-resistance (weerstand bieden) maakt het fysiek lastiger om bij de binnenkant te komen: extra harde of taaie behuizingen, epoxyhars die rond een chip is gegoten zodat je de bedrading niet kunt blootleggen zonder alles te vernielen, of een fijn kopernetje direct om de chip heen. Dat netje, ook wel een tamper mesh genoemd, is een dicht patroon van draadjes waar voortdurend een elektrisch signaal doorheen loopt; breek je een draadje door te boren of te snijden, dan verandert dat signaal meteen.
Tamper-detection en -response (detecteren en reageren) is het meest geavanceerde niveau. Sensoren in de chip meten continu temperatuur, spanning, licht, trillingen en drukverschillen. Wijkt een van die waarden te veel af van normaal, dan gaat er een intern alarm af. Het apparaat reageert daarop met "zeroization": het razendsnel overschrijven of wissen van alle sleutels in het geheugen, vaak binnen milliseconden en zelfs als de normale stroomvoorziening al is doorgesneden, dankzij een klein back-upbatterijtje.
Het lastige is dat dit alles een balans moet vinden. Te gevoelige sensoren zorgen voor valse alarmen bij een simpele val van tafel of een koude vrachtwagen; te ongevoelige sensoren laten een geoefende aanvaller ongestoord zijn gang gaan. Fabrikanten testen daarom uitgebreid hoeveel foutmeldingen ("false positives") acceptabel zijn tegenover het risico van een gemiste inbraakpoging.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van tamperbeveiliging is vertrouwen: kun je erop rekenen dat een sleutel, een stuk software of een meetwaarde niet stiekem is veranderd? Dat vertrouwen is om meerdere redenen belangrijk.
Ten eerste bescherming van geheimen. Banken, telecomproviders en overheden bewaren cryptografische sleutels waarmee transacties, simkaarten of documenten worden ondertekend. Komt zo'n sleutel in verkeerde handen, dan kan een aanvaller zich voordoen als een legitieme partij. Tamperbeveiliging zorgt dat die sleutel het apparaat nooit onbeveiligd verlaat, en zichzelf vernietigt zodra iemand er fysiek bij probeert te komen.
Ten tweede bescherming tegen namaak en manipulatie van producten, van chipkaarten tot medische pompen en industriële besturingssystemen: je wilt voorkomen dat criminelen een apparaat openen, de firmware aanpassen en het weer dichtplakken alsof er niets is gebeurd.
Ten derde, misschien wel het minst bekende doel: bewijskracht. Bij nucleaire ontwapeningsverdragen, verkiezingsapparatuur of forensisch bewijsmateriaal moet je achteraf onomstotelijk kunnen aantonen dat niemand ongemerkt heeft geknoeid. Daar is tamperbeveiliging niet techniek om aanvallers buiten te houden, maar om vertrouwen tussen partijen mogelijk te maken die elkaar niet blindelings vertrouwen.
Voorbeelden uit de praktijk
De IBM 4758, geïntroduceerd eind jaren negentig, geldt als een schoolvoorbeeld van tamper-responding techniek: een cryptografische coprocessor omhuld met een kopernetje en sensoren, die zichzelf leegwist zodra iemand de behuizing probeert te openen. De opvolgers uit die familie worden nog altijd gebruikt in bankomgevingen en zijn gecertificeerd volgens de zwaarste beveiligingsniveaus van de Amerikaanse FIPS 140-standaard.
De Secure Enclave in iPhones, sinds de iPhone 5s uit 2013, is een apart, afgeschermd stukje chip naast de hoofdprocessor. Het bewaart vingerafdrukgegevens en encryptiesleutels en is zo ontworpen dat zelfs Apple's eigen software er niet zomaar bij kan, laat staan een aanvaller met fysieke toegang tot de telefoon.
Bankpassen met chip (het zogeheten EMV-systeem, wereldwijd uitgerold sinds eind jaren negentig en in Europa grotendeels de standaard geworden in de jaren 2000) bevatten een smart card-chip die is ontworpen om de geheime sleutel nooit prijs te geven, ook niet aan de eigenaar van de pas zelf.
Hardware wallets voor cryptovaluta, zoals de Ledger Nano-serie (het eerste model verscheen in 2016), gebruiken vergelijkbare "secure element"-chips: gespecialiseerde, tamperbestendige chips die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor simkaarten en betaalpassen.
Buiten de digitale sector gebruikt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) al decennialang tamper-indicating seals: fysieke zegels op containers en apparatuur met nucleair materiaal, waarmee inspecteurs achteraf kunnen controleren of een verdragspartij zich aan afspraken heeft gehouden zonder er zelf voortdurend bij te hoeven staan.
Hoe ver is de techniek?
Voor de meest gangbare toepassingen, betaalpassen, simkaarten, dure encryptiehardware voor banken, is tamperbeveiliging volwassen technologie die al tientallen jaren in gebruik is en internationaal gestandaardiseerd is via kaders als FIPS 140 (VS) en Common Criteria (internationaal). Toch blijft het een wapenwedloop.
Onderzoekers, onder wie de inmiddels overleden Cambridge-hoogleraar Ross Anderson, hebben laten zien dat zelfs "tamperbestendige" chips met genoeg tijd, geld en gespecialiseerde apparatuur (denk aan een laserboormicroscoop of chemische etsbaden) toch zijn te openen. Zogeheten side-channel-aanvallen vormen een aparte dreiging: daarbij hoef je een chip niet eens open te breken, maar leid je geheime sleutels af uit subtiele signalen die de chip toch afgeeft, zoals kleine schommelingen in stroomverbruik of elektromagnetische straling tijdens het rekenen.
Een veelbelovende, nog relatief jonge techniek zijn Physical Unclonable Functions (PUF's): elke chip heeft door minieme, onbedoelde productieverschillen een unieke elektrische "vingerafdruk" die onmogelijk exact na te maken is, zelfs niet door de fabrikant zelf. Dat maakt PUF's aantrekkelijk als extra beveiligingslaag, maar de techniek wordt pas de laatste jaren op grotere schaal in producten toegepast en de langetermijnbetrouwbaarheid (bijvoorbeeld bij veroudering van de chip) wordt nog onderzocht.
Kortom: de basistechniek is beproefd, maar hooggekwalificeerde tamperbeveiliging blijft duur, en tegen een aanvaller met een goed uitgerust laboratorium en onbeperkte tijd biedt geen enkele chip absolute garanties. Beveiligingsniveaus worden daarom vaak uitgedrukt in hoeveel tijd, geld en expertise een aanval minimaal kost, niet in "onkraakbaar".
Wie werken eraan?
Chipfabrikanten als NXP Semiconductors (Nederland), Infineon (Duitsland) en STMicroelectronics (Frankrijk/Italië) behoren tot de grootste producenten van secure elements met tamperbeveiliging, gebruikt in alles van paspoorten tot betaalpassen. IBM Research bouwt al sinds de jaren negentig aan zijn cryptografische coprocessors. Thales is een grote speler in hardware security modules voor banken en overheden.
Op onderzoeksgebied staat de Computer Laboratory van de University of Cambridge bekend om baanbrekend werk aan tamper resistance, mede dankzij Ross Anderson. Ook de Digital Security-groep van de Radboud Universiteit Nijmegen heeft internationaal naam gemaakt met het kraken (en daarmee verbeteren) van chipkaartbeveiliging, en de Ruhr-Universität Bochum in Duitsland is een zwaargewicht op het gebied van hardwarebeveiliging en side-channel-onderzoek.
Op het gebied van standaarden zet het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) de FIPS 140-normen, terwijl het Common Criteria-samenwerkingsverband (met onder meer de VS, het VK, Duitsland, Frankrijk en Nederland) internationale beveiligingscertificering coördineert. In de nucleaire sector is het IAEA de instantie die tamper-evident zegels ontwikkelt en gebruikt voor verdragscontrole.