Resolving an Apparent Key-Dependent Timing Side-Channel in Bouncy Castle ML-DSA-65 Signing: A Pre-Registered Discrimination
تُثبت هذه الورقة أن ما يبدو أنه قناة جانبية توقيتية تعتمد على المفتاح في تنفيذ ML-DSA-65 الخاص بـ Bouncy Castle هو في الواقع أثر إحصائي ناتج عن التباين الطبيعي في أخذ العينات بالرفض، والذي يتلاشى عند تحليل التوقيت ضمن بروتوكول مسجل مسبقاً يشترط عدد التكرارات المنجزة بدقة، مما يؤكد أمن التنفيذ عبر جميع مجموعات المعايير القياسية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الأمن الرقمي، غالبًا ما تكون الأقفال الأكثر قوة هي تلك التي تستغرق أطول وقت لفتحها. لعقود من الزمن، صمم الرياضيون أنظمة تشفير تعتمد على مسائل معقدة للحفاظ على سلامة البيانات. ومع زيادة قوة الحواسيب، ومع اقتراب وعد الحواسيب الكمومية، يتسابق العلماء لبناء أقفال جديدة لا تستطيع حتى تلك الآلات المستقبلية كسرها. أحد أكثر التصاميم الجديدة واعدًا يسمى ML-DSA. وهي طريقة لإنشاء التوقيعات الرقمية، وهي المعادل الإلكتروني للتوقيع اليدوي على عقد أو شهادة. تثبت هذه التوقيعات أن الرسالة جاءت من شخص معين ولم يتم العبث بها.
ومع ذلك، ظهر نوع جديد من الخطر إلى جانب هذه الأقفال الرياضية. إنه ليس خللاً في الرياضيات نفسها، بل خلل في كيفية تنفيذ هذه الرياضيات على الحاسوب. يُعرف هذا بهجوم القناة الجانبية عبر التوقيت (timing side-channel attack). تخيل خزنة تصدر صوت "نقرة" أعلى قليلاً عند إدخال الرقم السري الصحيح، أو بابًا يستغر جزءًا من الثانية أطول للفتح عند استخدام المفتاح الصحيح. إذا تمكن المهاجم من قياس هذه الاختلافات الضئيلة في الوقت بدقة متناهية، فقد يتمكن من استنتاج المفتاح السري. بالنسبة لنظام ML-DSA الجديد، بنى المصممون ميزة أمان: تتضمن العملية الكثير من التجربة والخطأ. يحاول الحاسوب إنشاء توقيع، ويتحقق مما إذا كان صالحًا، وإذا لم يكن كذلك، فإنه يتخلص منه ويعيد المحاولة مرة أخرى. ولأن عدد المحاولات يتفاوت عشوائيًا، فإن الوقت الإجمالي الذي يستغرقه توقيع الرسالة يتفاوت أيضًا. ومن المفترض أن هذا العشوائية تخفي المفتاح السري، مما يجعل من المستحيل معرفة ما إذا كان التأخير ناتجًا عن المفتاح أم مجرد سوء حظ.
قام باحث يدعى أربان شارما مؤخرًا بالتحقيق فيما إذا كانت ميزة الأمان هذه تعمل كما هو مخطط لها في مكتبة برمجية شهيرة تسمى Bouncy Castle. تُستخدم هذه المكتبة على نطاق واسع لتأمين كل شيء، من تحديثات البرامج إلى الاتصالات الآمنة عبر الويب. عندما نظر شارما إلى البيانات لأول مرة، رأى شيئًا بدا وكأنه تسريب. فمن خلال مقارنة الوقت المستغرق لتوقيع الرسائل مع عشرين مفتاحًا سريًا مختلفًا، وجد أن بعض المفاتيح تستغرق وقتًا أطول من غيرها باستمرار. كان الفرق ضئيلًا — حوالي 1.35 بالمائة — ولكن في عالم الأمن، يمكن حتى للفارق الضئيل والثابت أن يكون إشارة إلى كشف سر ما. كان السؤال هو ما إذا كان هذا الفرق يمثل ثغرة حقيقية، أي خللاً في الكود يسمح للمفتاح السري بالتأثير على الوقت، أم أنه مجرد وهم إحصائي ناتج عن الطبيعة العشوائية للنظام.
للإجابة على ذلك، لم يعتمد شارما على تخمين بسيط أو اختبار سريع. بل صمم تجربة صارمة ومخطط لها مسبقًا لفصل الإشارة عن الضجيج. كان جوهر منهجه هو النظر في العمل الذي قام به الحاسوب بالفعل لكل توقيع، بدلًا من مجرد النظر إلى الوقت النهائي. لقد بنى أداة تسجل بالضبط عدد المرات التي اضطر فيها الحاسوب للمحاولة والفشل قبل أن يجد توقيعًا صالحًا. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الوقت الذي يستغرقه توقيع الرسالة مرتبط مباشرة بعدد المرات التي يضطر فيها الحاسوب لإعادة المحاولة. فإذا حالف الحظ أحد المفاتيح وحصل على مجموعة "محظوظة" من الرسائل التي تتطلب محاولات أقل، فسينتهي بشكل أسرع، ليس لأن المفتاح مختلف، بل لأن الرياضيات كانت أسهل في ذلك اليوم.
أجرى شارما حملة ضخمة، حيث أنتج أكثر من 1.2 مليون توقيع لكل مفتاح من المفاتيح العشرين. ثم قام بتجميع التوقيعات بناءً على مقدار العمل الدقيق الذي تطلبه كل منها. وطرح سؤالاً بسيطًا: إذا تطلب توقيعان نفس عدد المحاولات تمامًا ومرّا بنفس الخطوات تمامًا، هل سيظلان يستغرقان أوقاتًا مختلفة اعتمادًا على المفتاح المستخدم؟ كانت الإجابة "لا" قاطعة. بمجرد أن أخذ عدد المحاولات في الاعتبار، تلاشى فرق الوقت بين المفاتيح. كانت الاختلافات الضئيلة المتبقية صغيرة جدًا بحيث يمكن تفسيرها بالتقلبات العشوائية الطبيعية لمعالج الحاسوب وذاكرته، وليس بسبب المفاتيح السرية نفسها.
ذهبت الدراسة إلى أبعد من ذلك لضمان أن النتائج لم تكن مجرد صدفة ناتجة عن الحاسوب المحدد أو الطريقة التي تم تحميل البرنامج بها في الذاكرة. كرر شارما التجربة بمجموعة جديدة من المفاتيح ومجموعة جديدة من الرسائل. كما أجرى اختبار تحكم حيث قام بخلط ترتيب معالجة الحاسوب للبيانات. إذا كانت فروق التوقيت ناتجة عن المفات keys السرية، فلن يؤثر ترتيب المفاتيح. أما إذا كانت الفروق ناتجة عن مكان استقرار البيانات في ذاكرة الحاسوب، فإن الترتيب سيغير النتائج. أظهرت التجربة أن فروق التوقيت لم تتبع المفاتيح؛ بل تبعت تخطيط الذاكرة. وقد أكد هذا أن تسريب التوقيت كان نتاجًا لبيئة الحاسوب، وليس خللاً في أمن الكود.
كما بحث البحث في الجزء الوحيد من الكود الذي كان معروفًا بأنه يختلف قليًلا اعتمادًا على البيانات. يتحقق البرنامج من حجم الأرقاء أثناء العملية، وإذا كان الرقم كبيرًا جدًا، فإنه يتوقف عن التحقق من بقية القائمة فورًا. هذا تحسين قياسي لتوفير الوقت، لكنه يعني أن الحاسوب قد يتوقف في وقت أبكر لبعض المدخلات دون غيرها. قاس شارما تأثير هذا الاختصار ووجد أنه ساهم في تأخير قدره نانو ثانية واحدة فقط تقريبًا. وهي نانو ثانية، أي جزء من مليار من الثانية، وهو مقياس زمني صغير جدًا بحيث يقع تحت عتبة ما يمكن للمهاجم قياسه أو استخدامه واقعيًا لسرقة مفتاح.
تم تطبيق النتائج على عائلة هذه المعايير الجديدة للتوقيع الرقمي بأكملها، بما في ذلك النسخ الأصغر والأكبر المستخدمة لمستويات أمنية مختلفة. وفي كل حالة، كانت النتيجة واحدة. كان تنفيذ البرنامج نظيفًا. لم تكن فروق التوقيت الظاهرة علامة على تسريب المفاتيح السرية، بل كانت النتيجة الطبيعية لنظام مصمم لتغيير عمله لحماية تلك المفاتيح ذاتها. خلصت الدراسة إلى أن مكتبة Bouncy Castle آمنة من هذا النوع المحدد من الهجمات. إن انتشار الـ 1.35 بالمائة في الوقت الذي أثار الإنذار في البداية كان ببساطة صوت عشرين مفتاحًا مختلفًا يسحبون عشرين عينة مختلفة من توزيع عشوائي، أي صدى إحصائي وليس خرقًا أمنيًا.
يعد هذا التحقيق تذكيرًا بمدى صعوبة إثبات أن نظامًا ما آمن. في الماضي، ربما كان الباحثون سيتوقفون عند أول علامة على اختلاف التوقيت ويعلنون وجود ثغرة. تظهر هذه الدراسة أنه في الأنظمة المعقدة والعشوائية، غالبًا ما تكون العلامة الأولى هي مجرد قيام النظام بعمله. ومن خلال قياس العمل المنجز بدقة والتحكم في البيئة، تمكن الباحث من التمييز بين التسريب الحقيقي والوهم الإحصائي. وكانت النتيجة هي التأكيد على أن التوقيعات الرقمية الجديدة قوية، وأن الاختلافات العشوائية في سرعتها هي ميزة وليست خطأً. بالنسبة للملايين من الأجهزة التي تعتمد على هذه التوقيعات لتبقى آمنة، فإن الرسالة واضحة: القفل صامد، والوقت الذي يستغرقه تدوير المفتاح لا يخبرك بشيء عن السر الموجود بداخله.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.