[论文解读] Interleaving Command Sequences: a Threat to Secure Smartcard Interoperability

Maurizio Talamo, Maulahikmah Galinium+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Distributed systems and fault tolerance参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文識別出命令序列交錯為智能卡互操作性安全的關鍵威脅，示範了符合通用標準認證的數位簽章流程可靜默接受來自其他類型智能卡的外來 APDU，導致未被察覺的損壞或永久性破壞（例如 MSE 清除）。研究透過實驗驗證，此類攻擊可繞過認證檢測，且在無錯誤訊息的情況下損害安全性，呼籲在多應用程式環境中加強中介軟體層級的異常檢測。

ABSTRACT

The increasingly widespread use of smartcards for a variety of sensitive applications, including digital signatures, creates the need to ensure and possibly certify the secure interoperability of these devices. Standard certification criteria, in particular the Common Criteria, define security requirements but do not sufficiently address the problem of interoperability. Here we consider the interoperability problem which arises when various applications interact with different smartcards through a middleware. In such a situation it is possible that a smartcard of type S receives commands that were supposed to be executed on a different smartcard of type S'. Such "external commands" can interleave with the commands that were supposed to be executed on S. We experimentally demonstrate this problem with a Common Criteria certified digital signature process on a commercially available smartcard. Importantly, in some of these cases the digital signature processes terminate without generating an error message or warning to the user.

研究动机与目标

• 探討智能卡透過共用中介軟體接收來自其他應用程式之非預期 APDU 時所產生的安全風險。
• 示範通用標準認證無法確保在多個應用程式併發作業環境下實現安全互操作性。
• 識別出外來命令在未產生錯誤的情況下被接受的場景，導致如 SEO 清除等無法逆轉的損害。
• 提出一種可擴展的模型檢測擴展，利用現有通用標準認證來即時檢測並防止有害交錯命令序列。
• 主張應擴展通用標準，正式認證跨多種智能卡類型與應用程式的互操作性。

提出的方法

• 作者將數位簽章流程建模為具有明確命令序列的直線程式，將每個 APDU 視為特定智能卡類型上已認證執行路徑中的一步。
• 他們識別出「全域合法」命令為原本在特定智能卡類型上由已認證中介軟體執行的命令。
• 使用模型檢測工具（C-Murphi）模擬多個應用程式之間的交錯命令序列，以檢測異常。
• 他們在一款市售的通用標準認證智能卡上進行實驗，測試其對修改過或外來 APDU 的接受度。
• 他們以十六進位格式分析 APDU 串列，比較標準與修改後的命令，以檢測靜默處理。
• 他們建議將輕量級「看門狗」模型檢測器整合至中介軟體，以即時檢測並阻止有害交錯序列。

实验结果

研究问题

• RQ1 在數位簽章過程中，通用標準認證的智能卡是否會靜默接受外來或修改過的 APDU？
• RQ2 現有通用標準認證在多張智能卡併發使用時，其未能確保安全互操作性的程度為何？
• RQ3 來自不同應用程式的命令交錯會產生何種後果，特別是當其包含如「MSE Erase」等破壞性操作時？
• RQ4 對實務中的智能卡系統而言，是否可行透過暴力法模型檢測來驗證所有可能的交錯命令序列？
• RQ5 如何優化模型檢測，以在不進行全面搜尋的情況下高效檢測有害交錯序列？

主要发现

• 智能卡在數位簽章過程中靜默接受了外來 APDU，即使命令已從已認證序列修改，也未產生任何錯誤或警告。
• 「MSE Erase」命令並非正常簽章流程的一部分，但成功執行並永久清除安全環境物件，使卡片無法使用。
• 實驗顯示執行「MSE Erase」命令無需 PIN 或 PUK，使其成為大規模濫用的高風險漏洞。
• 即使僅以 10 步驟流程與 16 位元命令的簡化模型，可能的交錯序列數量仍超過 10^10，使暴力測試不可行。
• 研究確認模型檢測可檢測此類異常，但需優化——特別是藉由利用現有通用標準認證——方能在實際中介軟體環境中實用。
• 作者結論認為，可將輕量級、具認證感知能力的模型檢測器整合至中介軟體，作為執行時的「看門狗」，以防止有害交錯序列。