Black Hat USA 2025 | Bypassing PQC Signature Verification with Fault Injection
三句話摘要
透過電壓故障注入（Voltage Fault Injection）繞過後量子密碼學（PQC）簽名驗證，涵蓋 Dilithium、XMSS 與 SPHINCS+ 三種方案。 --- 後量子密碼學解決了數學層的量子威脅，但實作層的故障注入攻擊仍可繞過簽名驗證——真正的安全需要將抗故障能力設計進硬件實作，並確保系統具備現場可更新能力。 PQC 不代表免疫故障注入：量子安全的數學設計無法保護實作層的安全。攻擊者不需破解數學難題，只需干擾驗證流程中的特定計算步驟，就能讓設備接受偽造簽名。
重點整理
重點- 1
PQC 不代表免疫故障注入：量子安全的數學設計無法保護實作層的安全。攻擊者不需破解數學難題，只需干擾驗證流程中的特定計算步驟，就能讓設備接受偽造簽名。
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Dilithium 驗證有多個可攻擊點：透過跳過挑戰值（challenge）採樣、跳過 D 位移（D-shift）或跳過 CT₁ 的減法運算，均可使攻擊者僅憑公鑰生成的偽造簽名通過驗證，攻擊面極廣。
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WOTS+ 校驗和機制可被故障注入削弱：XMSS 與 SPHINCS+ 依賴校驗和哈希鏈防止偽造，但透過部分或完整跳過哈希鏈的 for 迴圈，可使設備計算出正確公鑰並接受偽造簽名。
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抗故障強化庫同樣失守：即使針對故障注入進行加固的 XMSS 實作庫，透過完整 H-chain 跳過攻擊仍可被繞過；部分跳過因後續斷言檢查會被捕捉，但完整跳過則不影響任何後續檢查。
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實用技巧與重點
乾貨- 標準與框架
- Dilithium、SPHINCS+：NIST 已標準化
- Dilithium：CNSA 框架中所有數位簽名的必要方案
- SPHINCS+：未獲 CNSA 批准（不可用於國家安全系統）
- LMS、XMSS：NIST 草案階段，已獲 ISO 標準化，CNSA 批准用於固件/軟體簽名
- 目標設備與庫
- 攻擊目標：ARM Cortex M4（STM32F4）
- Dilithium 庫：pqm4（針對 ARM Cortex M4 優化的 PQC 庫）
- XMSS、SPHINCS+：使用參考庫（reference library）
- 硬件：FPGA（控制重置與觸發計時）+ 可程式電源 + 示波器
- 真實部署案例
- OpenTitan（Google 支持）：使用 SPHINCS+ 實現 PQC 安全啟動，即將用於 Chromebook 與數據中心
- Caliptra 2.0：開源信任根設計，透過 Dilithium + Kyber 新增 PQC 安全啟動
- Dilithium 攻擊映射（4 種方案）
- 跳過公鑰 A 擴展 → C·T₁^D = 0 → 攻擊一成立
- 跳過挑戰 C 採樣 → C·T₁^D = 0 → 攻擊一成立
- 跳過 D 位移（原始 D=13）→ C·T₁^D < γ₂ → 攻擊二成立
- 跳過 CT₁^D 的減法 → 等同將其設為 0 → 攻擊一成立
- WOTS+/XMSS 暴力搜尋成本
- 單樹 XMSS：最長需 32 GPU 年
- 多樹 XMSS 與 SPHINCS+：高端 GPU 約 1 小時內完成
- 校驗和精確篡改
- 精確修改校驗和值需要雷射故障注入或電磁場注入（EMFI），電壓故障注入可完整跳過但難以精確控制數值
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結論
結論“後量子密碼學解決了數學層的量子威脅，但實作層的故障注入攻擊仍可繞過簽名驗證——真正的安全需要將抗故障能力設計進硬件實作，並確保系統具備現場可更新能力。”
完整解析
詳細後量子密碼學（PQC）正逐步取代 RSA 與 ECC，成為安全啟動、固件簽名等場景的基石。NIST 已標準化 Dilithium 與 SPHINCS+，XMSS 與 LMS 則獲 CNSA 框架批准用於固件簽名。隨著 OpenTitan 與 Caliptra 等項目開始落地，PQC 實作的安全性成為新的攻擊面——這正是本研究的切入點。
研究團隊將公開 PQC 庫移植至 ARM Cortex M4（STM32F4）裸機固件，並以電壓故障注入為核心技術展開攻擊。電壓故障注入的原理是在精確時間點將電壓拉低至特定範圍：過窄或過淺的毛刺不會改變執行結果，過長或過深則導致設備重置或靜音，只有命中「甜蜜區間」才能引發計算錯誤或跳過指令。攻擊架構由 FPGA 提供精確定時與觸發控制，可程式電源注入毛刺，示波器全程監控波形。
針對 Dilithium，其驗證流程的核心是計算 `Az - c·T₁^(2^D)` 並與挑戰值比對。研究者識別出四個可注入點：跳過矩陣 A 擴展、跳過挑戰 C 採樣的 for 迴圈、跳過 D 位移運算、以及跳過 CT₁^D 的減法步驟，三種場景均在實驗中成功執行，設備接受了僅憑公鑰生成的偽造簽名。針對 XMSS 與 SPHINCS+，兩者均依賴 WOTS+ 的校驗和哈希鏈防止簽名偽造：攻擊者先對任意惡意固件進行暴力搜尋，找到使每個消息塊大於或等於原始塊的消息（多樹 XMSS 與 SPHINCS+ 約需高端 GPU 一小時），再透過故障注入跳過驗證過程中的哈希鏈計算（部分或完整 H-chain 跳過），使設備計算出正確公鑰並接受偽造簽名。此外，針對已加固抗故障注入的 XMSS 庫，部分 H-chain 跳過因後續斷言會被捕捉而失效，但完整跳過 for 迴圈的攻擊仍然成功，說明即使經過強化的實作仍存在可被利用的路徑。
研究最終的結論是：量子安全的數學設計與硬件實作安全是兩個獨立的問題。偽造簽名不需要破解密碼，只需干擾驗證流程中的關鍵計算步驟。攻擊面隨實作複雜度增加而擴大，且未來還會出現更多新型注入技術。因此，產品必須設計為可在生產環境中更新，否則即使防禦了所有已知攻擊，未來新技術仍可能使其陷入困境。
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關鍵時刻
Pipeline v2帶時間戳的重點，會在逐字稿層級分析上線後產生。目前請先透過原始影片觀看。
事實查核
Pipeline v2說法查證是下一次管線升級的一部分。KeyFrame 只會顯示它真正能驗證的內容。
