Шпионаж через электромагнитное излучение

Введение

Шпионаж с использованием электромагнитных утечек

TEMPEST – это спецификация Агентства национальной безопасности США и сертификация НАТО, касающаяся шпионажа за информационными системами путем перехвата излучений, включая непреднамеренные радио- или электрические сигналы, звуки и вибрации. TEMPEST охватывает как методы шпионажа, так и способы защиты оборудования от подобного шпионажа. Мероприятия по защите также известны как защита от излучений (EMSEC), которая является частью безопасности связи (COMSEC). Методы АНБ по шпионажу за компьютерными излучениями засекречены, однако некоторые стандарты защиты были опубликованы либо АНБ, либо Министерством обороны. Защита оборудования от шпионажа достигается за счет расстояния, экранирования, фильтрации и маскировки. Стандарты TEMPEST регламентируют такие параметры, как расстояние оборудования от стен, степень экранирования зданий и оборудования, а также расстояние между проводами, передающими классифицированную и неклассифицированную информацию.

История

Во время Второй мировой войны The Bell System поставила американским военным смеситель 131 B2, который шифровал сигналы телепринтеров, выполняя операцию XOR с ключевым материалом, полученным с одноразовых лент (система SIGTOT) или, ранее, с роторного генератора ключей под названием SIGCUM. В его работе использовались электромеханические реле. Позже Bell сообщила Корпусу связи, что они смогли обнаружить электромагнитные всплески на расстоянии от смесителя и восстановить исходный текст. Встретив скептицизм относительно того, действительно ли обнаруженное ими в лаборатории явление может быть опасным, они продемонстрировали свою способность восстановить исходный текст из криптоцентра Корпуса связи на улице Варик в Нижнем Манхэттене. Обеспокоенный, Корпус связи попросил Bell провести дальнейшее расследование. Bell выявила три проблемные области: излучаемые сигналы, сигналы, распространяющиеся по проводам, идущим от объекта, и магнитные поля. В качестве возможных решений были предложены экранирование, фильтрация и маскировка. Bell разработала модифицированный смеситель 131 A1 с экранированием и фильтрацией, но его было сложно обслуживать и он оказался слишком дорогим для развертывания. Вместо этого соответствующие командиры были предупреждены о проблеме и им было рекомендовано контролировать зону диаметром 30 метров вокруг их центра связи, чтобы предотвратить скрытное перехватывание, и на этом вопрос был оставлен. Затем, в 1951 году, ЦРУ заново обнаружило проблему с 131 B2 и выяснило, что может восстановить исходный текст с линии, передающей зашифрованный сигнал, с расстояния в четверть мили. Были разработаны фильтры для сигнальных и силовых линий, а рекомендуемый радиус контролируемой зоны был расширен до 200 футов (61 м), основываясь больше на том, чего можно было ожидать от командиров, чем на каких-либо технических критериях. Последовал длительный процесс оценки систем и разработки возможных решений. Были обнаружены и другие компрометирующие факторы, такие как колебания напряжения в сети при переключении роторов. Вопрос об использовании шума, создаваемого электромеханическими системами шифрования, был поднят в конце 1940-х годов, но теперь он был переоценен как потенциальная угроза. Акустические излучения могли раскрыть исходный текст, но только если устройство записи находилось близко к источнику. Тем не менее, даже посредственные микрофоны могли справиться с этой задачей. Звукоизоляция помещения усугубляла проблему, устраняя отражения и обеспечивая более чистый сигнал для записывающего устройства. В 1956 году военно-морская исследовательская лаборатория разработала улучшенный смеситель, работавший при гораздо более низких напряжениях и токах и, следовательно, излучал гораздо меньше. Он был включен в новые системы шифрования АНБ. Однако многим пользователям требовались более высокие уровни сигнала для управления телепринтерами на больших расстояниях или при подключении нескольких телепринтеров, поэтому новые устройства шифрования включали возможность переключения сигнала обратно на более высокую мощность. АНБ начала разрабатывать методы и спецификации для изоляции конфиденциальных каналов связи посредством фильтрации, экранирования, заземления и физического разделения: линий, передающих конфиденциальный исходный текст, от линий, предназначенных для передачи только неконфиденциальных данных, последние часто выходили за пределы защищенной среды. Эта работа по разделению стала известна как концепция "Красный/Черный". В 1958 году совместная политика NAG 1 установила стандарты излучения для оборудования и установок, основанные на пределе контроля в 50 футов (15 м). В ней также были указаны уровни классификации различных аспектов проблемы TEMPEST. В следующем году эту политику приняли Канада и Великобритания. Шесть организаций – ВМС, армия, ВВС, АНБ, ЦРУ и Государственный департамент – должны были обеспечить основную часть усилий по ее реализации. Трудности возникли быстро. Компьютеризация становилась важной для обработки разведывательных данных, и компьютеры и их периферийные устройства должны были быть оценены, при этом многие из них оказались уязвимыми. Флексорайтер Friden, популярная в то время вводно-выводная пишущая машинка, оказалась одним из самых сильных излучателей, ее сигналы были читаемы на расстоянии до 3200 футов (975 м) в полевых испытаниях. Совет по безопасности связи США (USCSB) разработал политику в отношении Flexowriter, которая запретила его использование за рубежом для секретной информации и ограничила его использование в США до уровня "Конфиденциально", и то только в пределах зоны безопасности радиусом 400 футов (122 м), но пользователи сочли эту политику обременительной и непрактичной. Позже АНБ обнаружило аналогичные проблемы с внедрением дисплеев на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), которые также были мощными излучателями. Последовал многолетний процесс перехода от рекомендаций к более строго соблюдаемым правилам TEMPEST. Полученная Директива 5200.19, согласованная с 22 отдельными агентствами, была подписана министром обороны Робертом Макнамарой в декабре 1964 года, но для ее полного внедрения потребовались месяцы. Формальное внедрение АНБ вступило в силу в июне 1966 года. Тем временем проблема акустических излучений стала более острой с обнаружением около 900 микрофонов в американских военных объектах за рубежом, большинство из которых находились за "железным занавесом". В ответ были построены комнаты в комнате, некоторые прозрачные, получившие прозвище "аквариумы". Другие объекты были полностью экранированы для подавления электронных излучений, но они были непопулярны среди персонала, которому приходилось в них работать; они называли эти помещения "морозильными камерами" и иногда оставляли двери открытыми. Тем не менее, они были установлены в критически важных местах, таких как посольство в Москве, где было установлено два: одно для использования Государственным департаментом и одно для военных атташе. Установка, установленная в АНБ для ее оборудования для генерации ключей, стоила 134 000 долларов. Стандарты TEMPEST продолжали развиваться в 1970-х годах и позже, с новыми методами тестирования и более нюансированными рекомендациями, учитывающими риски в конкретных местах и ситуациях. Но и тогда, и сейчас потребности безопасности часто встречали сопротивление. По словам Дэвида Г. Боака из АНБ, "Некоторые из того, что мы до сих пор слышим в наших кругах, когда строгие технические стандарты снижаются в интересах денег и времени, пугающе напоминают высокомерную Третью Рейх с ее криптомашиной Enigma".

During World War II, The Bell System supplied the U. S. military with the 131 B2 mixer device that encrypted teleprinter signals by XOR’ing them with key material from one time tapes (the SIGTOT system) or, earlier, a rotor based key generator called SIGCUM. It used electromechanical relays in its operation. Later, Bell informed the Signal Corps that they were able to detect electromagnetic spikes at a distance from the mixer and recover the plain text. Meeting skepticism over whether the phenomenon they discovered in the laboratory could really be dangerous, they demonstrated their ability to recover plain text from a Signal Corps’ crypto center on Varick Street in Lower Manhattan. Now alarmed, the Signal Corps asked Bell to investigate further. Bell identified three problem areas: radiated signals, signals conducted on wires extending from the facility, and magnetic fields. As possible solutions, they suggested shielding, filtering and masking. Bell developed a modified mixer, the 131 A1 with shielding and filtering, but it proved difficult to maintain and too expensive to deploy. Instead, relevant commanders were warned of the problem and advised to control a 100 feet (30 m) diameter zone around their communications center to prevent covert interception, and things were left at that. Then in 1951, the CIA rediscovered the problem with the 131 B2 mixer and found they could recover plain text off the line carrying the encrypted signal from a quarter mile away. Filters for signal and power lines were developed, and the recommended control perimeter radius was extended to 200 feet (61 m), based more on what commanders could be expected to accomplish than any technical criteria. A long process of evaluating systems and developing possible solutions followed. Other compromising effects were discovered, such as fluctuations in the power line as rotors stepped. The question of exploiting the noise of electromechanical encryption systems had been raised in the late 1940s but was re evaluated now as a possible threat. Acoustical emanations could reveal plain text, but only if the pick up device was close to the source. Nevertheless, even mediocre microphones would do. Soundproofing the room made the problem worse by removing reflections and providing a cleaner signal to the recorder. In 1956, the Naval Research Laboratory developed a better mixer that operated at much lower voltages and currents and therefore radiated far less. It was incorporated in newer NSA encryption systems. However, many users needed the higher signal levels to drive teleprinters at greater distances or where multiple teleprinters were connected, so the newer encryption devices included the option to switch the signal back up to the higher strength. The NSA began developing techniques and specifications for isolating sensitive communications pathways through filtering, shielding, grounding, and physical separation: of those lines that carried sensitive plain text—from those intended to carry only non sensitive data, the latter often extending outside of the secure environment. This separation effort became known as the Red/Black Concept. A 1958 joint policy called NAG 1 set radiation standards for equipment and installations based on a 50 feet (15 m) limit of control. It also specified the classification levels of various aspects of the TEMPEST problem. The policy was adopted by Canada and the UK the next year. Six organizations—the Navy, Army, Air Force, NSA, CIA, and the State Department—were to provide the bulk of the effort for its implementation. Difficulties quickly emerged. Computerization was becoming important to processing intelligence data, and computers and their peripherals had to be evaluated, wherein many of them evidenced vulnerabilities. The Friden Flexowriter, a popular I/O typewriter at the time, proved to be among the strongest emitters, readable at distances up to 3,200 feet (975 m) in field tests. The U. S. Communications Security Board (USCSB) produced a Flexowriter Policy that banned its use overseas for classified information and limited its use within the U. S. to the Confidential level, and then only within a 400 feet (122 m) security zone, but users found the policy onerous and impractical. Later, the NSA found similar problems with the introduction of cathode ray tube displays (CRTs), which were also powerful radiators. There was a multiyear process of moving from policy recommendations to more strictly enforced TEMPEST rules. The resulting Directive 5200.19, coordinated with 22 separate agencies, was signed by Secretary of Defense Robert McNamara in December 1964, but still took months to fully implement. The NSA's formal implementation took effect in June 1966. Meanwhile, the problem of acoustic emanations became more critical with the discovery of some 900 microphones in U. S. installations overseas, most behind the Iron Curtain. The response was to build room within a room enclosures, some transparent, nicknamed "fish bowls". Other units were fully shielded to contain electronic emanations, but were unpopular with the personnel who were supposed to work inside; they called the enclosures "meat lockers", and sometimes just left their doors open. Nonetheless, they were installed in critical locations, such as the embassy in Moscow, where two were installed: one for State Department use and one for military attachés. A unit installed at the NSA for its key generation equipment cost $134,000. Tempest standards continued to evolve in the 1970s and later, with newer testing methods and more nuanced guidelines that took account of the risks in specific locations and situations. But then as now, security needs often met with resistance. According to NSA's David G. Boak, "Some of what we still hear today in our own circles, when rigorous technical standards are whittled down in the interest of money and time, are frighteningly reminiscent of the arrogant Third Reich with their Enigma cryptomachine."

Сепарация красный/черный

Стандарт TEMPEST требует "разделения по принципу "Красный/Черный"", то есть необходимо обеспечивать разделение по расстоянию или устанавливать экранирование между цепями и оборудованием, используемым для обработки незашифрованной классифицированной или конфиденциальной информации (обозначаемой как "Красный"), и защищенными цепями и оборудованием (обозначаемым как "Черный"), включая передающие зашифрованные сигналы. Производство оборудования, сертифицированного по стандарту TEMPEST, должно осуществляться под строгим контролем качества, чтобы гарантировать, что дополнительные экземпляры изготавливаются в точности как экземпляры, прошедшие тестирование. Изменение даже одного провода может привести к недействительности результатов испытаний.

Коррелированные эманации

Одним из аспектов тестирования Tempest, отличающим его от ограничений на паразитные излучения (например, FCC Part 15), является требование абсолютной минимальной корреляции между излучаемой энергией или обнаруживаемыми излучениями и любыми обрабатываемыми открытыми данными.

Общественные исследования

В 1985 году Вим ван Эк опубликовал первый несекретный технический анализ рисков для безопасности, связанных с излучениями от компьютерных мониторов. Эта работа вызвала некоторое беспокойство в сообществе безопасности, которое ранее полагало, что подобный мониторинг – это высокотехнологичная атака, доступная лишь правительствам. Ван Эк успешно перехватил данные с реальной системы на расстоянии сотен метров, используя оборудование стоимостью всего 15 долларов и телевизор. В результате этого исследования подобные излучения иногда называют «излучением ван Эка», а технику перехвата – «фрекингом ван Эка», хотя правительственные исследователи уже были осведомлены об опасности: Bell Labs отметила эту уязвимость для защиты телепринтерной связи во время Второй мировой войны и смогла восстановить 75% исходного текста, обрабатываемого в защищенном помещении, на расстоянии 80 футов (24 м). Кроме того, АНБ опубликовало документ Tempest Fundamentals, NSA 82 89, NACSIM 5000, Агентство национальной безопасности (секретно) 1 февраля 1982 года. Также техника ван Эка была успешно продемонстрирована неспециалистам TEMPEST в Корее во время Корейской войны в 1950-х годах. Маркус Кун обнаружил несколько недорогих способов снизить вероятность удаленного перехвата излучений от компьютерных дисплеев. При использовании ЭЛТ-дисплеев и аналоговых видеокабелей фильтрация высокочастотных составляющих шрифтов перед их отображением на экране снизит энергию, с которой передаются символы текста. При использовании современных плоских дисплеев основным источником компрометирующих излучений являются высокоскоростные кабели цифрового последовательного интерфейса (DVI) от графического контроллера. Добавление случайного шума к младшим битам значений пикселей может сделать излучения от плоских дисплеев неразборчивыми для перехватчиков, но это не является надежным методом защиты. Поскольку DVI использует определенную схему кодирования, стремящуюся обеспечить сбалансированный сигнал из 0 и 1, разница между двумя цветами пикселей, сильно отличающимися по цвету или интенсивности, может быть незначительной. Излучения могут существенно различаться даже при изменении всего лишь последнего бита цвета пикселя. Сигнал, принимаемый перехватчиком, также зависит от частоты, на которой обнаруживаются излучения. Сигнал может приниматься на нескольких частотах одновременно, и сигнал каждой частоты будет отличаться по контрасту и яркости, связанным с определенным цветом на экране. Обычно подавление красного сигнала шумом неэффективно, если мощность шума недостаточна для насыщения приемника перехватчика, тем самым подавляя входной сигнал. Светодиодные индикаторы на компьютерном оборудовании могут быть источником компрометирующих оптических излучений. Одна из таких техник – мониторинг индикаторов на модеме с подключением по телефонной линии. Почти все модемы мигают светодиодом, показывая активность, и часто эти вспышки напрямую связаны с линией данных. Таким образом, быстрая оптическая система может легко зафиксировать изменения в мерцании, соответствующие передаваемым данным. Недавние исследования показали, что можно обнаружить излучение, соответствующее нажатию клавиши, не только от беспроводных (радио) клавиатур, но и от традиционных проводных клавиатур (например, клавиатура PS/2 содержит микропроцессор, который излучает некоторое количество радиочастотной энергии при реагировании на нажатия клавиш) и даже от клавиатур ноутбуков. Начиная с 1970-х годов, советский перехват информации с пишущих машин IBM Selectric в посольстве США позволял обнаруживать механическое движение клавиш, оснащенных магнитами, с помощью имплантированных магнитометров, и преобразовывать эту информацию через скрытую электронику в цифровой радиочастотный сигнал. Каждая восьмисимвольная передача давала советской стороне доступ к конфиденциальным документам в момент их набора на американских объектах в Москве и Ленинграде. В 2014 году исследователи представили "AirHopper" – схему атаки, демонстрирующую возможность вывода данных с изолированного компьютера на находящийся поблизости мобильный телефон с использованием FM-сигналов. В 2015 году был представлен "BitWhisper" – скрытый канал передачи сигналов между компьютерами, не имеющими сетевых подключений, с использованием термических манипуляций. "BitWhisper" поддерживает двунаправленную связь и не требует дополнительного специализированного оборудования. Позднее, в 2015 году, исследователи представили GSMem – метод вывода данных с изолированных компьютеров через каналы сотовой связи. Передача, генерируемая стандартной внутренней шиной, превращает компьютер в небольшую антенну сотовой связи. В феврале 2018 года была опубликована работа, описывающая, как низкочастотные магнитные поля можно использовать для извлечения конфиденциальных данных с компьютеров, помещенных в клетку Фарадея и не имеющих сетевых подключений, с использованием вредоносного кода под названием ’ODINI’, который может управлять низкочастотными магнитными полями, излучаемыми зараженными компьютерами, регулируя нагрузку на ядра процессора. В 2018 году на конференциях ACM и Black Hat была представлена группа атак по сторонним каналам, разработанная исследователями Eurecom: "Screaming Channels". Этот тип атаки направлен на микросхемы смешанного сигнала – содержащие аналоговую и цифровую схему на одном кристалле кремния – с радиопередатчиком. Результатом этой архитектуры, часто встречающейся в подключенных устройствах, является утечка цифровой частью микросхемы некоторой метаинформации о своих вычислениях в аналоговую часть, что приводит к утечке метаинформации, закодированной в шуме радиопередачи. Благодаря методам обработки сигналов исследователям удалось извлечь криптографические ключи, используемые во время связи, и расшифровать содержимое. Авторы предполагают, что этот класс атак известен правительственным спецслужбам уже много лет.

In 1985, Wim van Eck published the first unclassified technical analysis of the security risks of emanations from computer monitors. This paper caused some consternation in the security community, which had previously believed that such monitoring was a highly sophisticated attack available only to governments; van Eck successfully eavesdropped on a real system, at a range of hundreds of metres, using just $15 worth of equipment plus a television set. As a consequence of this research, such emanations are sometimes called "van Eck radiation", and the eavesdropping technique van Eck phreaking, although government researchers were already aware of the danger, as Bell Labs noted this vulnerability to secure teleprinter communications during World War II and was able to produce 75% of the plaintext being processed in a secure facility from a distance of 80 feet (24 m) Additionally the NSA published Tempest Fundamentals, NSA 82 89, NACSIM 5000, National Security Agency (Classified) on February 1, 1982. In addition, the van Eck technique was successfully demonstrated to non TEMPEST personnel in Korea during the Korean War in the 1950s. Markus Kuhn has discovered several low cost techniques for reducing the chances that emanations from computer displays can be monitored remotely. With CRT displays and analog video cables, filtering out high frequency components from fonts before rendering them on a computer screen will attenuate the energy at which text characters are broadcast. With modern flat panel displays, the high speed digital serial interface (DVI) cables from the graphics controller are a main source of compromising emanations. Adding random noise to the least significant bits of pixel values may render the emanations from flat panel displays unintelligible to eavesdroppers but is not a secure method. Since DVI uses a certain bit code scheme that tries to transport a balanced signal of 0 bits and 1 bits, there may not be much difference between two pixel colors that differ very much in their color or intensity. The emanations can differ drastically even if only the last bit of a pixel's color is changed. The signal received by the eavesdropper also depends on the frequency where the emanations are detected. The signal can be received on many frequencies at once and each frequency's signal differs in contrast and brightness related to a certain color on the screen. Usually, the technique of smothering the RED signal with noise is not effective unless the power of the noise is sufficient to drive the eavesdropper's receiver into saturation thus overwhelming the receiver input. LED indicators on computer equipment can be a source of compromising optical emanations. One such technique involves the monitoring of the lights on a dial up modem. Almost all modems flash an LED to show activity, and it is common for the flashes to be directly taken from the data line. As such, a fast optical system can easily see the changes in the flickers from the data being transmitted down the wire. Recent research has shown it is possible to detect the radiation corresponding to a keypress event from not only wireless (radio) keyboards, but also from traditional wired keyboards [the PS/2 keyboard, for example, contains a microprocessor which will radiate some amount of radio frequency energy when responding to keypresses], and even from laptop keyboards. From the 1970s onward, Soviet bugging of US Embassy IBM Selectric typewriters allowed the keypress derived mechanical motion of bails, with attached magnets, to be detected by implanted magnetometers, and converted via hidden electronics to a digital radio frequency signal. Each eight character transmission provided Soviet access to sensitive documents, as they were being typed, at US facilities in Moscow and Leningrad. In 2014, researchers introduced "AirHopper", a bifurcated attack pattern showing the feasibility of data exfiltration from an isolated computer to a nearby mobile phone, using FM frequency signals. In 2015, "BitWhisper", a Covert Signaling Channel between Air Gapped Computers using Thermal Manipulations was introduced. "BitWhisper" supports bidirectional communication and requires no additional dedicated peripheral hardware. Later in 2015, researchers introduced GSMem, a method for exfiltrating data from air gapped computers over cellular frequencies. The transmission generated by a standard internal bus renders the computer into a small cellular transmitter antenna. In February 2018, research was published describing how low frequency magnetic fields can be used to escape sensitive data from Faraday caged, air gapped computers with malware code named ’ODINI’ that can control the low frequency magnetic fields emitted from infected computers by regulating the load of CPU cores. In 2018, a class of side channel attack was introduced at ACM and Black Hat by Eurecom's researchers: "Screaming Channels". This kind of attack targets mixed signal chips — containing an analog and digital circuit on the same silicon die — with a radio transmitter. The results of this architecture, often found in connected objects, is that the digital part of the chip will leak some metadata on its computations into the analog part, which leads to metadata's leak being encoded in the noise of the radio transmission. Thanks to signal processing techniques, researchers were able to extract cryptographic keys used during the communication and decrypt the content. This attack class is supposed, by the authors, to be known already for many years by governmental intelligence agencies.

В популярной культуре

В телевизионном сериале Numb3rs, в эпизоде первого сезона "Sacrifice", для "чтения" информации с компьютерного монитора использовался провод, подключенный к антенне с высоким коэффициентом усиления. В сериале "Призраки", в эпизоде "Укол" четвертого сезона, описывается неудачная попытка получить информацию с компьютера, не имеющего сетевого подключения. В романе Нила Стивенсона "Криптономикон" персонажи используют метод Ван Эка для "чтения" информации с компьютерного монитора в соседней комнате. В телесериале "Агенты Щ.И.Т.а", в эпизоде первого сезона "Ragtag", офис сканируется на предмет наличия цифровых сигнатур в УВЧ-спектре. В видеоигре Tom Clancy's Splinter Cell: Chaos Theory часть финальной миссии включает в себя слежку за совещанием в защищенном от утечек помещении Tempest. На протяжении всей серии игр Splinter Cell также используется лазерный микрофон. В видеоигре Rainbow Six: Siege оператор Mute обладает опытом работы с требованиями TEMPEST. Он разработал устройство подавления сигналов, изначально предназначенное для предотвращения передачи данных со скрытых микрофонов на конфиденциальных совещаниях, и адаптировал его для боевых действий, сделав способным нарушать работу дистанционно активируемых устройств, таких как взрывные заряды. В серии романов Чарльза Стросса "Файлы прачечной" персонаж Джеймс Энджелтон (высокопоставленный офицер сверхсекретной разведывательной службы) всегда использует низкотехнологичные устройства, такие как пишущая машинка или Memex, для защиты от TEMPEST (несмотря на то, что здание оборудовано защитой от электромагнитного излучения).