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title: Authentification par smartcard et PKI documentclass: scrartcl author:

• Luc Lauriou
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Introduction

Depuis toujours, l'authentification sur des systèmes informatiques est principalement régie par l'utilisation du couple identifiant / mot de passe. C'est pourtant un facteur d'identification peu fiable : utilisation du même mot de passe pour plusieurs - voir tous les - services, mot de passe faible, progrès technique rendant leur cassage plus efficace etc. Dans un communiqué de presse du W3C et de l'Alliance FIDO :

Les mots de passe volés, faibles ou par défaut sont à l'origine de 81% des atteintes à la protection des données.

Il existe des solutions pour pallier ces faiblesses, avec notamment l'introduction d'un ou plusieurs autres facteurs d'authentification (TOTP, SMS etc.) ou les gestionnaires de mots de passe (keepass, LastPass, etc ...).

L'authentification par certificats semble être une alternative intéressante aux traditionnels mots de passe. Nous allons dans ce mémoire parler de la norme X.509, des infrastructures à clefs publiques, des smartcards et des attaques connues.

La norme X.509

La norme X.509 régie les formats pour les certificats à clés publiques. Elle est définie par l'Union Internationale des Télécommunications et établie comme suit :

• Le format de certificat
• La liste de révocation des certificats
• leurs attributs
• un algorithme de validation de chemin des certificats

Contrairement à OpenPGP qui repose sur une toile de confiance, X.509 repose sur les autorités de certifications : un tiers de confiance délivre les certificats et fournit les moyens de les vérifier.

Les certificats X.509 sont donc composés de deux éléments : une partie publique et une partie privée. Ces certificats peuvent assurer plusieurs rôles.

PKI - Infrastructure à clefs publiques

Une infrastructure à clefs publiques est un ensemble d'éléments, qu'ils soient humains, matériels ou logiciels, destinés à gérer les clefs publiques des utilisateurs d'un système.

Cette infrastructure est utilisée pour créer, gérer, distribuer et révoquer des certificats.

La PKI elle va te crypter l'Internet du digital

Sur Internet, les différentes autorités de certifications assurent les rôles de PKI : Elle fournissent l'infrastructure pour gérer les certificats permettant le fonctionnement du chiffrement TLS.

Une SmartCard?

Maintenant que nous avons parlé de la norme X.509, nous allons parler de notre startcard. D'après Wikipédia (source) :

Une carte à puce est une carte en matière plastique, voire en papier ou en carton, de quelques centimètres de côté et moins d'un millimètre d'épaisseur, portant au moins un circuit intégré capable de contenir de l'information. Le circuit intégré (la puce) peut contenir un microprocesseur capable de traiter cette information, ou être limité à des circuits de mémoire non volatile et, éventuellement, un composant de sécurité (carte mémoire).

Vous utilisez tous les jours une SmartCard : votre carte SIM, votre carte bancaire...

Les smartcards qui nous intéressent ici contiennent un espace de stockage, un microprocesseur et un coprocesseur pour accélérer les opérations cryptographiques.

Comme vous pouvez le voir, il n'y a pas de connexion directe entre les contacts et la mémoire. Pour des raisons évidente de sécurité, tout passe par le système d'exploitation de la carte. Il en existe une multitude (JavaCard Operating System, MULTOS, OpenPGP Card, Gnuk etc.)

Création, stockage et utilisation de certificats

Dans le cas qui nous intéresse, la carte à puce permet de stocker le certificat et de l'utiliser. Lors de son utilisation, un code PIN sera demandé, le certificat contenu pourra alors être utilisé pour s'authentifier, signer ou chiffrer.

Certaines smartcards permettent la génération de certificats.

Les "normes" PKCS

PKCS pour Public Key Cryptographics Standard est un ensemble de spécifications portées au départ par la Société RSA Security afin d'implanter les techniques liées à la cryptographie par clé publique. Par la suite, beaucoup de ces spécifications sont devenues des standard par le biais de RFC écrites par le groupe de travail PKIX¹ de l'IETF.

Les plus utiles ici sont :

• PKCS#7 : standard de syntaxe de message cryptographiques, normalisé par les RFC 2315 et 5653.
• PKCS#11 : API définissant une interface générique pour les périphériques cryptographiques.

Le Web plus accessible aux authentifications par certificats

Aujourd'hui, l'un des principaux défauts de l'authentification par certificats, c'est qu'elle n'est pas déployée largement : seul un petit nombre de services l'utilisent.

Cependant, supporté par le constat que les mots de passe perdent en efficacité, le standard WebAuthn - pour Web Authentication - a récemment été créé et publiée par le W3C. Ce standard définit une API destinée aux navigateurs, aux applications web et aux autres plateformes nécessitant une authentification forte basée sur clés publiques.

Les grands du Web ont déjà mis en place le support de WebAuthn sur leurs outils : Windows 10, Android, Google Chrome, Mozilla Firefox, Microsoft Edge et Safari. L'apparition de ce standard va sans aucun doute encourager une adoption plus large de ce type d'authentification.

Attaque sur les smartcard

Attaques par canal auxiliaire

Les attaques par canal auxiliaire regroupent les attaques qui tentent d'exploiter des failles sur l'implémentation des procédures de sécurité plutôt que sur les procédures elles-mêmes. Voici une liste de types d'attaques par canal auxiliaire sur lesquels on va s'attarder car elles touchent les smartcards :

Attaque par sondage

Particulièrement invasive, elle consiste à détériorer suffisamment une puce pour avoir un accès physique aux bus et y lire les bits qui y passent. Il est à noter que cette attaque est très difficile à mettre en place car elle nécessite du matériel de pointe (oscilloscope très précis, chronométrage du passage des bits...), de la rigueur et de la précision sur la détérioration de la puce, etc.

Analyse de consommation

En fonction des opérations résolues par un processeur, sa consommation en énergie diffère. En étudiant les variations d'énergie utilisées par un lecteur de cartes, il est possible de trouver des indices sur la clé privée, sur un échantillon suffisant. Aujourd'hui, cette attaque peut être aisément contrecarrée en apposant du bruit sur le circuit ou en le blindant.

Analyse d'émanations électromagnétiques

Semblable à l'Analyse de consommation, à ceci prêt qu'on ne s'attache pas, cette fois ci à l'énergie consommée mais au rayonnement électromagnétique émis par un appareil. A l'instar de la consommation en énergie, le rayonnement n'est pas le même en fonction des opérations exécutées par le terminal. L'étude du rayonnement thermique peut s'apparenter à une analyse d'émanations électromagnétiques.

Attaque par faute

Le principe ici est de provoquer des erreurs pour que le système réagisse de manière inhabituelle sur les opérations de chiffrement et laisse des indices sur la clé de chiffrement.

Attaque temporelle

Le temps que met un algorithme à s'exécuter donne parfois des indices sur la constitution d'une clé entrée en paramètre dans cet algorithme, comme le nombre de bits à 1. A elle seule, cette attaque ne donne pas beaucoup d'informations, mais elle peut être combinée avec d'autres attaques pour en augmenter son efficacité.

Attaques sur les PKI

Même si elle ne touchent pas directement les smartcards, Il est intéressant de parler des attaques sur les infrastructures à clé publique.

Collision MD5

Le MD5 pour Message Digest 5 est un algorithme de hachage cryptographique permettant d'obtenir l'empreinte d'un fichier / d'une chaine de caractères. Il a été inventée par Ronald Rivets en 1991 pour succéder à MD4.

Il doit être considéré comme obsolète depuis 1996, année de découverte d'une faille dans l'algorithme ouvrant la voie à des collisions. En 2004 une équipe de chercheurs chinois menée par la mathématicienne Wang Xiaoyun démontre la faisabilité d'une collision complète. Mais cette attaque n'est pas encore suffisamment sophistiquée pour être utilisée sur un cas concret. Wang, Lenstra et de Wegner feront la démonstration de leur attaque sur deux certificats X.509 différents ayant la même signature MD5 en 2006.

Attaque par collision

Une attaque par collision est menée sur une fonction de hashage cryptographique afin trouver deux entrées différentes donnant lieux au même résultat. Comme la plupart des fonctions de signature électronique se font sur le condensat d'un document plutôt que sur le document lui-même. Ainsi s'il est possible de produire deux documents avec le même condensat², leurs signatures seront strictement identiques. Il suffit alors d'envoyer à l'autorité de certification le document légitime et copier la signature obtenue sur le document frauduleux.

Attaque par collision avec préfixe choisi

Dans le cadre de certificats, les choses se compliquent un peu : c'est l'autorité de certification qui génère le certificat en fonction des informations contenues dans le CSR. L'attaquant doit alors manipuler les données contenues dans le CSR qu'il envoie et y intégrer des blocs de collision pour annuler les différences entre les hashes du certificat obtenu et celui forgé. Il va jouer sur le préfixe du CSR, d'où le nom de l'attaque.

Ce type d'attaque n'est cependant pas aisé, l'attaquant devra anticiper certaines informations qui seront intégrées dans le certificat produit par l'autorité. Certaines pourront être influencées comme le champ CN, d'autres récupérées sur d'autres certificats signés par la même autorité (le contenu des champs issuer par exemple) et enfin d'autres devront être "devinées" ³ - numéro de série du certificat et date d'expiration -

Une telle attaque a été démontrée en décembre 2008 par une équipe de chercheurs menée par Sotirov et Stevens. Ils ont ainsi pu obtenir un certificat à même de signer n'importe quels autres certificats et reconnu par les principaux navigateurs de l'époque.

Une technique similaire a été utilisée par le malware Flame découvert en 2012. Il usurpait une signature de code Microsoft pour se propager au travers de Windows Update.

Attaque par oracle de padding

Ce type d'attaque a été mené avec succès sur différents périphériques cryptographiques par une équipe de recherche internationale. Leurs travaux a donné lieu à une publication en avril 2012.

Ils on ainsi pu extraire les clefs privées de la plupart des périphériques disponibles sur le marché quels que soient leurs marques.

La première démonstration pratique de cette attaque a été faite par Daniel Bleichenbacher alors chercheur en cryptographie chez Bell Laboratories

Comment fonctionne t-elle?

Le chiffrement par bloc

Avant de rentrer plus en détails dans le fonctionnement de l'attaque par oracle de padding, il est nécessaire d'expliquer le fonctionnement du chiffrement par bloc. Il existe une multitude de chiffrement par bloc, nous resterons sur le mode CBC Cipher Block Chaining.

Pour éviter l'apparition de motifs dans le bloc chiffré qui pourrait faciliter la création de "dictionnaire de code", le mode CBC utilise le précédent bloc chiffré pour réaliser une opération booléenne avec le bloc actuel en clair avant de le chiffrer. Pour le premier bloc à envoyer, CBC utilise un vecteur d'initialisation.

Contrairement au chiffrement de flux, le chiffrement par bloc nécessite une taille de donnée définie en entrée. Si les données sont trop importantes, il faut les découper, si elle sont plus petites on utilisera alors la technique du padding.

cleartext[n] = decrypt(cblock[n]) \oplus cblock[n-1]

Le padding

Dans notre exemple, notre bloc doit faire 128 bits mais les données ne représente que 104 bits [1]. Nous allons donc rajouter trois octets avec pour valeur hexadécimale 0x03 qui représente le nombre d'octets manquant [2].

L'attaque par oracle de padding

Une oracle de padding est un mechanisme prenant un bloc chiffré en entrée, le déchiffre et avertit l'utilisateur si le padding est correct ou non.

Le chiffrement par bloc en mode CBC a un énorme défaut : l'intégrité des messages n'est pas vérifiée. Du coup un attaquant peut modifier le résultat de cleartext[n] en modifiant cblock[n-1], ou tout simplement en le forgeant à notre convenance.

Prenons X comme bloc de chiffrement forgé pour l'occasion, et cblock[n] bloc de chiffrement à attaquer et cleartexthack le résultat du déchiffrement de cblock[n] avec notre X en vecteur d'initialisation, nous pouvons écrire :

cleartexthack = decrypt(cblock[n]) \oplus X

Nous savons aussi que :

cblock[n] = encrypt(cleartext[n] \oplus cblock[n-1])

Donc on peut écrire :

cleartexthack = decrypt(encrypt(cleartext[n] \oplus cblock[n-1])) \oplus X

En simplifiant :

cleartexthack = cleartext[n] \oplus cblock[n-1] \oplus X

Que l'on peut aussi écrire

cleartext[n] = cleartexthack \oplus cblock[n-1] \oplus X

Cette équation se compose de deux éléments que nous avons en notre possession : X notre bloc forgé et cblock[n-1] notre avant-dernier bloc, et deux éléments inconnus : cleartexthack le résultat en clair de la manipulation de notre attaque et cleartext[n] le résultat du déchiffrement de cblock[n].

Il n'est plus question ici de chiffrement, mais de simples opérations booléennes.

Comme nous avons accès à une oracle de padding nous n'avons qu'à tester toutes les valeurs du dernier octet de X jusqu'à obtenir un padding correct (0x01). Dans le cadre de notre block de 16 octets :

cleartext[n][15] = 0x01 \oplus cblock[n-1][15] \oplus X[15]

Il ne nous reste plus qu'une inconnue cleartext[n][15], nous pouvons résoudre l'équation.

Il suffit de procéder ainsi pour les 16 octets de notre bloc pour le déchiffrer en entier et ainsi de suite...

Et son utilisation contre les smartcard

C'est bien entendu une version simplifiée de l'attaque par padding oracle, mais elle permet de comprendre son fonctionnement. Elle fut au centre des travaux de recherche menés par Romain Bardou, Riccardo Focardi, Yusuke Kawamoto, Lorenzo Simionato, Graham Steel, et al. donnant lieu à une publication. Ces travaux permirent, en 2012, l'extraction des clés privées de beaucoup de périphériques de cryptographie (PKCS#11) de marques différentes. Les chercheurs ont par ailleurs largement amélioré les algorithmes de Bleichenbacher pour accélérer sensiblement les performances, surtout sur les appareils peu puissant comme les smartcards.

Conclusion

L'authentification par smartcards liée à une PKI est intéressante à bien des égard, réservée jusque là au monde de l'entreprise de par la complexité de l'infrastructure à déployer. Mais l'apparition de périphériques comme les Yubikey et la nécessité de pallier aux problèmes des mots de passes pousse les entreprises touchant le grand public à trouver des solutions; WebAuth en est la preuve (mais sans la partie PKI).

Il est cependant utopique de penser que les smartcards résolvent tous les problèmes, bien au contraire. Nous avons vu qu'il est possible d'attaquer directement l'infrastructure de clés⁴. Mais il est est aussi possible d'attaquer le périphérique lui même: n'oublions pas que celui-ci est complexe, équipé de plusieurs processeurs et d'un système d'exploitation, agrandissant la surface d'attaque⁵.

N'oublions pas aussi qu'un périphérique se vole; et si la plupart des smartcards sont résistante à l'ouverture par la force, une attaque ciblée couplée à de l'ingénierie sociale bien menée pour retrouver le code PIN reste possible.

Bibliographie

Stéphane Bortzmeyer RFC 5280: Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate and Certificate Revocation List (CRL) Profile

Ivan Ristić BulletProof SSL and TLS

Pixis Padding oracle

Romain Bardou, Riccardo Focardi, Yusuke Kawamoto, Lorenzo Simionato, Graham Steel, et al.. Efficient Padding Oracle Attacks on Cryptographic Hardware. [Research Report] RR-7944, 2012, pp.19.

Marc Zaffagni CNETfrance.fr : Vers la fin des mots de passe ? WebAuthn est désormais un standard du web

W3C Web Authentication: An API for accessing Public Key Credentials

Wikipedia Attaque de collisions, Attaque par canal auxiliaire

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1. Public Key Infrastructure X.509, groupe de travail de l'IETF dédié aux infrastructures à clé publiques ↩︎

2. Le mot français pour hash ↩︎

3. Prédites serait plus adapté, dans l'attaque menée par Sotirov et Stevens, l'équipe de chercheurs a réussi à prédire ces deux éléments en étudiant le fonctionnement de l'autorité de certification utilisée. ↩︎

4. Google a publié le 23 février 2017 un article annonçant la première collision sur du SHA1. source ↩︎

5. La Yubikey 4, et d'autre périphériques cryptographiques sont touchés par ROCAT, une faille touchant des librairies utilisées par des puces de la marque Infineon Technologies AG et permettant de prédire la clé privée grâce à la clé publique - CVE-2017-15361. source ↩︎