什么是侧信道攻击？网络安全研究员解释计算机如何在不被黑客入侵的情况下泄露秘密

当人们听到网络攻击这个词时，通常会想象有人猜测密码、植入恶意软件、窃取计算机、入侵组织网络或利用软件漏洞。侧信道攻击则另辟蹊径。它找的是计算机在平常干活时无意间透露出来的蛛丝马迹。

打个简单的比方，就好比一个上了锁的保险箱。小偷可能不知道密码，也撬不开锁。但如果小偷能在转盘转动时仔细倾听，转盘转动时发出的细微咔嗒声、转动声或者停顿，都可能透露出里面的一些门道。保险箱本来没打算泄露这些信息，但它的物理行为仍然泄露了线索。

现代计算机也有类似的线索。例如，每台计算机完成不同任务可能需要不同的时间，或者耗电量不一样。硬件——处理器、内存、显卡和存储驱动器——在干活时可能会留下一些细微的痕迹。

我是一名研究安全与隐私的计算机科学家。我把侧信道攻击定义为：观察这些间接线索，并利用它们推断出某些私密信息的行为。

这就是侧信道攻击不寻常的地方。它的弱点就出在机器干活的方式上。攻击者并不直接窃取密码或闯入计算机，而是去研究机器运行过程中留下的痕迹。

这个思路其实并不新鲜。1985年，荷兰研究员维姆·范·埃克展示了视频显示单元发出的电磁信号可以被捕获和解码，这就意味着，屏幕显示的内容有可能被窃听。屏幕并不是有意向外广播自己的内容。它只是在运行时顺带泄露了信号。

20世纪90年代，侧信道攻击在密码学——保护信息的科学——中变得尤为重要。1996年，密码学研究者保罗·科切尔证明，仔细测量某些操作所需的时间可以从使用常见密码学方法的系统中泄露私有信息。几年后，科切尔与同行密码学家约书亚·贾菲和本杰明·君证明，测量功耗可以帮助从智能卡等防篡改设备中恢复密钥。

这些发现改变了工程师对安全的看法。仅仅问加密算法在数学上是否安全是不够的。更重要的是要看运行算法的设备是否通过时序、功耗、声音或其他物理行为泄露了线索。

常见的侧信道攻击有以下几种类型：

• 时序攻击是通过寻找操作所需时间的微小差异来实施攻击。
• 功耗攻击通过研究设备的电力消耗来获取信息。
• 电磁攻击通过检测设备发出的非预期电磁信号来获取信息。
• 声学攻击利用设备发出的声音来获取信息。

在一个引人注目的例子中，在实验条件下，笔记本电脑在某些密码学操作期间产生的微弱噪声可以被用来提取一个4096位的秘密密钥。

让侧信道攻击进入更广泛公众视野的，是处理器攻击。现代计算机处理器（如CPU）之所以极其快速，是因为它们预测程序接下来可能做什么。这种技术被称为推测执行，它帮助计算机更高效地运行。但在2018年，网络安全研究人员在该技术中发现了两个漏洞，被称为熔断（Meltdown）和幽灵（Spectre）。他们表明，这些预测可能留下可测量的痕迹。恶意程序可以利用这些痕迹来获取本应受保护的信息。

Meltdown和Spectre之所以引起广泛关注，是因为它们挑战了现代计算的一个基本前提：同一台机器上运行的不同程序应当彼此隔离。它们还表明，计算机芯片中深度集成的性能优化功能可能带来安全隐患。

自那以后，研究人员在现代硬件中不断发现新的侧信道攻击。2022年披露的一种此类侧信道攻击名为Hertzbleed，它表明处理器频率的变化——通常用于节能和性能管理——可能被用作时序信号，在某些情况下泄露远程服务器的加密机密。

另一种名为Downfall的侧信道攻击于2023年披露，影响到了部分英特尔处理器。它表明，一个名为Gather的特性可能泄露处理器在先前任务处理后残留的旧数据。Zenbleed同样于2023年披露，影响了AMD Zen 2处理器，可能导致另一进程的敏感信息泄露到不该出现的地方。

侧信道研究的范围已经超出了CPU。GPU.zip表明，图形处理器（GPU）有时会通过后台处理图像数据的方式泄露视觉信息，包括Google Chrome浏览器中另一网页的像素。GoFetch于2024年发表，表明Apple许多处理器中一项用于预测未来内存需求的硬件功能可能削弱加密软件的保护机制，并帮助提取密钥。

最新的攻击名为FROST，全称是“fingerprinting remotely using OPFS based SSD timing”，即基于OPFS的SSD时序远程指纹识别，涉及固态硬盘（SSD）。这类硬盘几乎是所有现代计算机上最常见的快速存储设备。FROST表明，恶意网站可以利用一项名为源私有文件系统的浏览器存储特性，在浏览器为该网站划出的受保护区域（即沙箱）中创建和访问文件，然后测量SSD读写活动中细微的时间延迟。

直觉很简单。如果多个程序共用同一存储设备，它们会彼此略微拖慢速度，就像汽车共用同一条道路一样。通过在浏览器中测量这些延迟，FROST研究人员证明，网站在特定条件下可以推断出同一台电脑上其他活动的信息，例如访问过哪些网站或使用过哪些应用程序。

启示多于危害

那么，侧信道攻击的使用频率有多高？说实话，虽然它们可能造成危害，但并不是大多数人日常会遇到的那种网络攻击。现实世界中的大多数网络犯罪仍然依赖更简单、更廉价的手段，例如利用软件漏洞、窃取凭据、网络钓鱼、恶意软件和勒索软件。例如，Verizon的《2026年数据泄露调查报告》强调软件漏洞和勒索软件是数据泄露的主要来源，而不是把侧信道攻击当作常见的入侵途径。

这并不意味着侧信道攻击不重要。许多攻击都是研究人员先发现的，之后才被犯罪分子广泛利用。但它们之所以重要，是因为它们暴露了现代计算背后假设中的弱点。它们影响着芯片设计、浏览器安全、云计算、密码库以及工程师对隐私的思考方式。

侧信道攻击提醒我们，计算机不需要刻意泄露秘密，秘密也可能被泄露出去。有时候，它们在运行中留下的蛛丝马迹，能透露出的信息比任何人预想的都多。

本文转载自The Conversation，这是一家非营利性独立新闻机构，为您提供真实信息和可靠分析，帮助您理解这个复杂的世界。作者：Chetan Jaiswal，昆尼皮亚克大学

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