没有绝对安全的系统：写在AES 256破解之后

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在理论上，理论和实践是一致的。在实践中，呵呵。——（应该是）爱因斯坦（说的）
（INFO：本文中不会出现公式，请放心阅读）

AES 256被破解了？
对于TLNR（Too Long, Not Read）的读者来说，先把答案放在这：是的，但也不尽然。
事件回顾如下：前几日在互联网上转发的一条题为“AES 256加密被破 一套1500元设备5分钟内搞定”的新闻引起了各界的关注。新闻在国内各大媒体转载，热门评论里不乏各种被高赞但实际上并不正确的说法：有说是字典攻击无线信号，和破解AES是两回事的，也有所是根据无线电特性来攻击的，和AES没关系的。还有想搞个大新闻的媒体直接说是路由器被破解，甚至还说成了5分钟破解任何WiFi密码的，唯恐天下不乱。
实际上这次的破解来自Fox-IT [1]，确实攻击了AES算法本身，利用了电磁辐射泄露的信息，可以实现无线攻击（隔墙有耳）。这样的攻击形式称为旁路攻击（Side Channel Attack），在学术界和工业界已经研究了20多年，是一种较为系统完善的攻击方法，此次攻破AES256的方法是利用电磁旁路信号来完成差分功耗分析（DPA），获取了密钥。从介绍本身来看，是一个很不错的工作，但不是AES首次被破解，AES 128早就可以用类似的方式破解，AES 256在DPA看来，和前者没有本质差异，在实验室中早已破解。当然也做不到5分钟破解任何WiFi密码。原因是SCA需要一定的物理条件，目前AES算法本身还是安全的，不必惊慌过度。

背景知识
以AES为例，AES是高级加密标准Advanced Encryption Standard的缩写，是美国联邦政府采用的一种分组加密标准，也是目前分组密码实际上的工业标准。AES广泛使用在各个领域（当然包括WiFi的加密过程），实际上目前主流的处理器中广泛包含了AES的硬件*（低至售价几美元的STM32中有CRYP [2]，高至售价上千美元的Intel CPU中有AES-NI [3]）。对于这样一个成熟的密码学标准，密码算法本身设计的十分完善，传统的差分分析，线性分析等方法基本上不能在有限复杂度内完成，AES在理论上是安全的。但是正如本文标题描述的那样，即便有绝对安全的算法，也做不到绝对安全的系统。唯物辩证法中有联系的普遍性和多样性原理，现代密码系统在设计上理论安全，并不能替代密码系统的实现安全性。攻击者可以在不干扰密码芯片运行的前提下，观测时间，功耗，电磁辐射等旁路泄露，然后结合算法的实现进行密钥还原，实现所谓的旁路攻击。对于旁路攻击的防御，涉及到密码算法实现安全性这一范畴，很显然，这次攻击成功的AES 256，表明实现安全性的研究还有很长的路要走。
这里简要介绍一下AES算法。AES算法包含了多个轮，每一轮（除了最后一轮）中，都有4个步骤[4][5]：（1）AddRoundKey—矩阵中的每一个字节都与该次回合密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。（2）SubBytes—通过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。（3）ShiftRows—将矩阵中的每个横列进行循环式移位。（4）MixColumns—为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每内联的四个字节。最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。

接下来留意2个数字，2^256（2的256次方）和8192。2^256是整个密钥空间，这是一个相当大的数字，表明如果要一个一个猜密钥，需要这么多次才能确保猜对，这个数太大了，所以没法猜，暴力破解不可取。但如果是猜8192次呢，这个数字对于计算机来说就完全可以接受了。怎么猜才能在8192次中猜对呢。信息论告诉我们，必须有额外的信息输入。简言之就是分治的思想：一个一个猜。256 bits的密钥，也就是32个Bytes，如果逐字节猜，每个字节有256种可能，32个字节需要256*32 = 8192次猜测就可以了。
而芯片工作受限于位宽和算法实现，是不会一次完成整个256bits密钥的处理的，正如饭要一口一口吃，数据也是逐字节处理的，这就给我们我们逐字节猜提供了实现依据。
本次旁路分析依然按惯例关注其中的非线性环节SubBytes。所谓的非线性替换函数，在实现中就是一个查表操作。查表操作的输出（S-box output）是攻击点。当然算法的优化会合并一些操作以提高运算速度，这里攻击者可以偷着乐。原因是虽然优化需要做大量的工作，但实际上，最终结果还是查表，查较大的表和较小的表，在旁路攻击中没有实质的区别。AES 128和256的区别也是轮数，密钥长度的区别，查表操作本身是没有本质变化的（划重点）。
接下来用一张关系图来说明各要素的关联。

使用急救毯包裹的攻击环境 最后再冲击一下1米的距离，这需要在理想条件下完成。首先，测试在微波暗室中进行，尽可能地排除了干扰信号。天线方面使用了盘锥天线，并保证了测量子系统和加密子系统之间的电气隔离。1米的距离很艰难的达到了，使用了240万条traces。这个理想实验证明了，在足够好的条件下，1米的攻击距离是完全可行的。