A Novel Memory-Efficient MitM Attack on Ascon-Hash

In der digitalen Welt beruht Sicherheit oft auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Stärke und Effizienz. Für die Milliarden winziger, batteriebetriebener Geräte, die das Internet der Dinge ausmachen – Sensoren in Fabriken, intelligente Stromzähler und medizinische Monitore – ist die Rechenleistung begrenzt und der Speicherplatz sogar noch knapper. Diese Geräte benötigen kryptografische Werkzeuge, die robust genug sind, um Daten sicher zu halten, aber leicht genug, um ohne Batterieverbrauch oder das Ausfüllen eines winzigen Chips zu laufen. Ascon ist eine führende Lösung für diese Herausforderung, eine Familie von Verschlüsselungs- und Hash-Methoden, die speziell für diese ressourcenbeschränkten Umgebungen entwickelt wurden. Um sicherzustellen, dass Ascon sicher bleibt, testen Forscher es ständig gegen raffinierte Angriffe, wobei sie versuchen, den kürzesten Weg zu finden, um seinen Code zu brechen. Eines der mächtigsten Werkzeuge in diesem Arsenal ist der „Meet-in-the-Middle“-Angriff, eine Strategie, bei der ein Angreifer vom Endergebnis rückwärts und vom Ausgangspunkt vorwärts arbeitet, in der Hoffnung, sich in der Mitte mit einem Treffer zu begegnen. Diese Strategie erforderte jedoch traditionell eine enorme Menge an Speicher, um die Millionen von Zwischenschritten zu speichern, eine Anforderung, die den Angriff auf die sehr Geräte, die Ascon schützen soll, oft unpraktikabel machte.

Ein Forschungsteam hat nun einen neuen Weg entwickelt, um diesen Angriff auszuführen, der den benötigten Speicher drastisch reduziert und den Test für leichte Systeme weitaus realistischer macht. In einer Studie, die sich auf die Ascon-Hash-Funktion konzentrierte, zeigten die Autoren, dass sie den Angriff auf eine reduzierte Version des Systems mit deutlich weniger Speicherplatz durchführen konnten, als bisher für möglich gehalten wurde, ohne die Geschwindigkeit der Berechnung zu opfern. Indem sie das Problem als ein komplexes Puzzle aus logischen Bedingungen behandelten, fanden sie einen Weg, unnötige Daten herauszufiltern, bevor sie überhaupt gespeichert werden mussten. Ihre Arbeit zeigt, dass für eine Drei-Runden-Version des Hashs der benötigte Speicher von einer Komplexität von 2^24 auf 2^14 reduziert werden kann. Für eine Vier-Runden-Version ist die Reduktion noch dramatischer und senkt die Anforderung von einer Komplexität von 2^34 auf 2^12. Diese Errungenschaft senkt nicht nur die Kosten des Angriffs; sie liefert auch ein schärferes, genaueres Bild davon, wie sicher Ascon gegenüber einem Gegner mit begrenzten Ressourcen tatsächlich ist.

Die Forscher begannen mit der Anerkennung, dass frühere Versuche, Ascon mithilfe automatisierter Suchwerkzeuge zu brechen, gegen eine Wand des Speicherverbrauchs gestoßen waren. Während Computer zwar schneller darin geworden waren, den richtigen Pfad durch die Verschlüsselung zu finden, verlangte der Prozess dennoch, dass der Angreifer eine riesige Bibliothek von Zwischenergebnissen im Speicher bereithielt, ganz ähnlich wie der Versuch, ein Labyrinth zu lösen, indem man jeden einzelnen Abzweig auf einem separaten Blatt Papier notiert. Wenn das Labyrinth groß genug ist, geht einem das Papier aus, noch bevor man den Ausgang findet. Das Team erkannte, dass der Schlüssel zur Lösung nicht nur darin bestand, den Pfad schneller zu finden, sondern klüger darüber nachzudenken, was sie aufschrieben. Sie verwendeten eine Methode namens Erfüllbarkeitslösung (Satisfiability Solving), was im Wesentlichen eine Art ist, einen Computer zu fragen, eine Menge von Bedingungen zu finden, die eine komplexe logische Aussage wahr macht. Dies ermöglichte es ihnen, die spezifischen Punkte im Verschlüsselungsprozess kartografieren, an denen die Vorwärts- und Rückwärtsberechnungen potenziell aufeinandertreffen könnten.

Sob% sie diese potenziellen Treffpunkte kartografiert hatten, wandten die Forscher eine Reihe algebraischer Filter an, um die Daten zu bereinigen. Sie bemerkten, dass sich viele der die Verschlüsselung steuernden Bedingungen in einfache, lineare Beziehungen und komplexere, nichtlineare Beziehungen aufteilen ließen. Die linearen Teile waren unkompliziert; sie konnten unter Verwendung standardmäßiger mathematischer Techniken vereinfacht werden, um redundante Informationen zu entfernen, was die Liste der Möglichkeiten, die der Computer verfolgen musste, effektiv verkleinerte. Die nichtlinearen Teile waren schwieriger, aber das Team entwickelte eine Methode, um sie in eine Dreiecksform umzuordnen, was es ermöglichte, bestimmte Variablen basen auf anderen zu lösen. Dieser Prozess eliminierte die Notwendigkeit, diese spezifischen Variablen explizit zu berechnen und zu speichern, was den Speicherbedarf weiter reduzierte.

Die bedeutendste Innovation lag in der Handhabung der verbleibenden komplexen Bedingungen, die nicht einfach vereinfacht werden konnten. Anstatt jedes mögliche Ergebnis zu speichern, nutzten die Forscher diese verbleibenden Bedingungen, um einen „Residualindex“ zu erstellen, eine Art digitalen Tag oder ein Etikett. Während sie die Liste der potenziellen Vorwärtspfade generierten, wiesen sie jedem Pfad einen Tag basierend auf seinen spezifischen Eigenschaften zu. Entscheidend war ihre Erkenntnis, dass der Rückwärtspfad nur dann mit einem Vorwärtspfad übereinstimmen konnte, wenn deren Tags kompatibel waren. Dies bedeutete, dass der Computer nicht jeden einzelnen Vorwärtspfad im Speicher behalten musste; er musste nur diejenigen behalten, die einen Tag trugen, den der Rückwärtspfad potenziell erreichen konnte. In den spezifischen Konfigurationen, die sie testeten, war dieses Filtern so effektiv, dass es die gesamte Liste der notwendigen Vorwärtspfade auf einen einzigen, winzigen Dateneimer reduzierte.

Die Ergebnisse dieses neuen Ansatzes waren beeindruckend. Bei der Anwendung auf eine Drei-Runden-Version von Ascon-Hash behielt die Methode die gleiche Geschwindigkeit wie vorherige Angriffe bei, reduzierte jedoch den Speicherbedarf von einer Komplexität von 2^24 auf 2^14. Für die Vier-Runden-Version war die Reduktion noch tiefgreifender und senkte den Speicherbedarf im Vergleich zur bisher besten Methode von einer Komplexität von 2^34 auf 2^12. Die Forscher verifizierten, dass dieses aggressive Filtern nicht versehentlich gültige Lösungen verworf; sie prüften, dass die verbleibenden Daten immer noch alle ursprünglichen Regeln des Verschlüsselungssystems erfüllten. Die Studie bestätigt, dass es durch die sorgfältige Analyse der Struktur der Verschlüsselung und die Anwendung dieser logischen Filter möglich ist, tiefgehende Sicherheitsprüfungen mit einem Bruchteil der Ressourcen durchzuführen, die zuvor als notwendig erachtet wurden. Diese Arbeit deutet darauf an, dass die Sicherheitsmarge von Ascon in ressourcenbeschränkten Umgebungen mit größerer Präzision bewertet wird, um sicherzustellen, dass die kryptografischen Standards, die unsere vernetzte Welt schützen, so robust sind, wie sie erscheinen.