In-depth crypto a9acks It always takes two bugs Karsten - - PowerPoint PPT Presentation

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In-depth crypto a9acks It always takes two bugs Karsten Nohl <nohl@srlabs.de> SRLabs Template v11 Agenda A risk perspec*ve on cryptography

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SRLabs ¡Template ¡v11 ¡

In-­‑depth ¡crypto ¡a9acks ¡ It ¡always ¡takes ¡two ¡bugs ¡

Karsten ¡Nohl ¡<nohl@srlabs.de> ¡

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Agenda ¡

2 ¡

§ A ¡risk ¡perspec*ve ¡on ¡cryptography ¡ § Breaking ¡silence ¡– ¡ ¡ Algebraic ¡a9acks ¡on ¡RFIDs ¡ § Ciphering ¡the ¡predictable ¡– ¡ ¡ Rainbows ¡against ¡mobile ¡crypto ¡

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Risks ¡summarize ¡hacker, ¡research, ¡and ¡corporate ¡viewpoints ¡

3 ¡

Research ¡perspec*ve ¡ Damage ¡ Probability ¡ Risk ¡ Risk ¡ Vulnerability ¡ Infosec ¡perspec*ve ¡

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Risks ¡summarize ¡hacker, ¡research, ¡and ¡corporate ¡viewpoints ¡

4 ¡

Hacker ¡view ¡ Research ¡view ¡ Infosec ¡ view ¡ Damage ¡ Probability ¡ Risk ¡ IncenRve ¡ Vulnerability ¡

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Agenda ¡

5 ¡

§ A ¡risk ¡perspecRve ¡on ¡cryptography ¡ § Breaking ¡silence ¡– ¡ ¡ Algebraic ¡a<acks ¡on ¡RFIDs ¡ § Ciphering ¡the ¡predictable ¡– ¡ ¡ Rainbows ¡against ¡mobile ¡crypto ¡

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Mifare ¡Classic ¡RFID ¡tags ¡try ¡to ¡hide ¡secret ¡cipher ¡in ¡silicon ¡die ¡

6 ¡

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7 ¡

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Reverse-­‑engineering ¡is ¡supported ¡by ¡degate ¡soXware ¡

8 ¡

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degate ¡outputs ¡synthesizable ¡code ¡that ¡can ¡be ¡visualized ¡and ¡ emulated ¡with ¡standard ¡chip ¡design ¡tools ¡

9 ¡

31−OAI fasel dronf dronf dronf dronf 1− 1+3 2+4 pass NOR( a, 22−OA (bcde)) B − ~C MUXINV 21−OAI

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Mifare ¡reader ¡is ¡authenRcated ¡first ¡

10 ¡

Reader ¡ Mifare ¡RFID ¡tag ¡ Mutual ¡authen*ca*on ¡a9ests ¡knowledge ¡of ¡k ¡ rand ¡ enck(rand’ ¡|| ¡checksum) ¡ enck(rand’’ ¡|| ¡checksum) ¡ Original ¡a9ack: ¡Compute ¡secret ¡key ¡from ¡one ¡ captured ¡mutual ¡authenRcaRon, ¡within ¡seconds ¡

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Mifare ¡RFIDs ¡are ¡insecure ¡based ¡on ¡two ¡bugs ¡

11 ¡

Clone ¡your ¡own ¡cards ¡at ¡ legit ¡reader ¡(and ¡ maybe ¡others’, ¡too) ¡ Mifare ¡cards ¡use ¡an ¡easily ¡ breakable ¡stream ¡cipher ¡ Clone ¡others’ ¡cards ¡just ¡ siBng ¡next ¡to ¡them ¡ The ¡cards ¡disclose ¡ encrypted ¡texts ¡to ¡a ¡ rogue ¡reader ¡ Result ¡ Risk ¡ 1 ¡ 2 ¡

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Immobilizers ¡are ¡the ¡first ¡applicaRon ¡of ¡IT ¡security ¡to ¡cars ¡

12 ¡

Chip ¡

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Immobilizers ¡are ¡simple ¡challenge-­‑response ¡tokens ¡

13 ¡

Car ¡ controller ¡ (ECU) ¡ ¡ Antenna ¡ (someRmes ¡

  • incl. ¡immo-­‑

bilizer ¡chip) ¡ Car ¡key ¡with ¡ immobilizer ¡ trans-­‑ ponder ¡ ¡ Challenge: ¡Random ¡number ¡ Response: ¡EncrypRon ¡of ¡random ¡# ¡ Counter-­‑challenge: ¡Second ¡random ¡# ¡ Response: ¡Both ¡random ¡numbers ¡ encrypted ¡together ¡ Write ¡to ¡transponder, ¡etc. ¡ Car ¡start ¡ AddiRonal ¡ immobilizer ¡ funcRonality ¡

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Three ¡technologies ¡dominate ¡the ¡immobilizer ¡market ¡

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1997 ¡ 1999 ¡ 2001 ¡ 2003 ¡ 2005 ¡ 2007 ¡ 2009 ¡ 2011 ¡ Market ¡share ¡ (# ¡of ¡vehicle ¡brands) ¡ Advanced ¡EM ¡Micro ¡ NXP ¡Hitag ¡AES ¡ TI ¡DST ¡40 ¡ Philips/NXP ¡Hitag ¡2 ¡ EM ¡Micro ¡Megamos ¡ TI ¡DST ¡80 ¡ 40 ¡bit ¡block ¡cipher ¡ 48 ¡bit ¡stream ¡cipher ¡ 96 ¡bit ¡stream ¡cipher ¡

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Immobilizer ¡vicRm ¡1: ¡DST40 ¡keys ¡are ¡vulnerable ¡to ¡brute-­‑force ¡

15 ¡

Serious ¡FPGA ¡ compuRng ¡ power ¡takes ¡

  • ne ¡hour ¡to ¡

find ¡secret ¡ DST40 ¡key ¡

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The ¡crux ¡of ¡most ¡weak ¡ciphers ¡is ¡too ¡little ¡non-­‑linearity ¡

tmp = x[12]^x[15]^x[16]^x[17]; for (i=17:-1:1) x[i]=x[i-1]; x[0] = tmp;

§ Algebraic ¡weaknesses ¡in ¡proprietary ¡ciphers ¡are ¡often ¡caused ¡by ¡insufficient ¡ non-­‑linearity ¡ § At ¡the ¡heart ¡of ¡the ¡problem: ¡LFSRs ¡ ¡ ¡(linear ¡feedback ¡shift ¡register) ¡

0 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 16 ¡ 17 ¡

Weak ¡ciphers ¡can ¡be ¡broken ¡in ¡three ¡straightforward ¡steps: ¡ 1. Describe ¡weak ¡parts ¡of ¡cipher ¡as ¡system ¡of ¡equations ¡

  • Easiest ¡way: ¡Rewrite ¡source-­‑code ¡to ¡work ¡on ¡symbols ¡instead ¡of ¡data ¡
  • A5/2, ¡for ¡example, ¡can ¡be ¡described ¡in ¡656 ¡quadratic ¡variables ¡

2. Brute-­‑Force ¡through ¡complex ¡parts: ¡Guess-­‑and-­‑Determine ¡ ¡attack. ¡ 3. Solve ¡system ¡of ¡equations: ¡ ¡MiniSAT is ¡your ¡friend ¡

16 ¡

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SLIDE 17 BEGIN
  • s[60]
guess
  • s[104]
guess s[104] **115 s[63] **121 s[74] **123 s[103] **125 s[79] **126
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calc_s[99] s[77] calc_s[17]
  • s[62]
calc_s[2] s[79] s[63] s[103] calc_s[4] s[72] calc_s[31]
  • s[78]
guess
  • s[65]
calc_s[30]
  • s[75]
calc_s[103] s[64] calc_s[3] s[99] calc_s[99]
  • s[77]
calc_s[17] s[62] calc_s[2]
  • s[100]
calc_s[100] s[68] calc_s[10]
  • s[85]
calc_s[85] s[78] s[63] s[103] calc_s[16] s[65] calc_s[30] s[75] calc_s[103] s[64] calc_s[3]
  • s[99]
calc_s[99] s[77] calc_s[17] s[62] calc_s[2] s[63] s[103] calc_s[23]
  • s[76]
calc_s[28] s[78] **146
  • s[79]
guess
  • s[72]
calc_s[31]
  • s[78]
guess s[65] calc_s[30] s[75] calc_s[103]
  • s[64]
calc_s[3] s[99] calc_s[99] s[77] calc_s[17]
  • s[62]
calc_s[2] s[78] s[79] s[103] calc_s[4]
  • s[65]
calc_s[30]
  • s[75]
calc_s[103]
  • s[64]
calc_s[3]
  • s[99]
calc_s[99]
  • s[77]
calc_s[17]
  • s[62]
calc_s[2] s[79] s[103] calc_s[4] s[72] calc_s[31]
  • s[78]
guess
  • s[65]
calc_s[30]
  • s[75]
calc_s[103]
  • s[64]
calc_s[3] s[99] calc_s[99] s[77] calc_s[17] s[62] calc_s[2] s[78] s[103] calc_s[23] s[65] calc_s[30] s[75] calc_s[103]
  • s[64]
calc_s[3]
  • s[99]
calc_s[99]
  • s[77]
calc_s[17] s[62] calc_s[2]
  • s[100]
calc_s[100]
  • s[68]
calc_s[10]
  • s[85]
calc_s[85]
  • s[92]
calc_s[92]
  • s[61]
calc_s[18] s[93] calc_s[93]
  • s[104]
calc_s[104]
  • s[83]
calc_s[83] s[87] calc_s[87] s[96] calc_s[96]
  • s[102]
calc_s[102] s[81] calc_s[81] s[97] calc_s[97]
  • s[90]
calc_s[90]
  • s[98]
calc_s[98]
  • s[82]
calc_s[82]
  • s[88]
calc_s[88]
  • s[84]
calc_s[84]
  • s[101]
calc_s[101] s[80] calc_s[80]
  • s[94]
calc_s[94]
  • s[95]
calc_s[95] s[89] calc_s[89]
  • s[91]
calc_s[91]
  • s[86]
calc_s[86] MODEL

Immobilizer ¡vicRm ¡2: ¡Hitag2 ¡is ¡vulnerable ¡to ¡cryptanalysis ¡

17 ¡

SAT ¡solving ¡(“smart ¡brute ¡force”) ¡solves ¡Hitag2 ¡system ¡of ¡equaRons ¡in ¡minutes ¡ Tree ¡of ¡key ¡guesses; ¡ compare ¡to ¡248 ¡guesses ¡ needed ¡for ¡brute ¡force ¡

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SLIDE 18

Immobilizer ¡vicRm ¡3: ¡Megamos ¡uses ¡insecure ¡authenRcaRon ¡ protocol ¡

18 ¡

Standard ¡mutual ¡authen*ca*on ¡ requires ¡three ¡messages ¡ Megamos ¡“op*mizes” ¡protocol ¡to ¡

  • nly ¡require ¡two ¡messages ¡

Car ¡ Transponder ¡ Challenge ¡ Counter-­‑response ¡ Response ¡ Counter-­‑challenge ¡ Car ¡ Transponder ¡ Challenge ¡ Response ¡ Counter-­‑response ¡ If ¡the ¡key ¡is ¡not ¡present, ¡the ¡protocol ¡ does ¡not ¡disclose ¡any ¡informaRon ¡ Key ¡is ¡not ¡needed ¡to ¡collect ¡breakable ¡ challenge-­‑response ¡pairs! ¡

§ Key ¡cloning ¡ § Key ¡cloning ¡ § Car ¡theV ¡with ¡no ¡access ¡to ¡key! ¡

A<ack ¡ surface ¡

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SLIDE 19

Megamos ¡immobilizers ¡are ¡insecure ¡based ¡on ¡two ¡bugs ¡

19 ¡

Clone ¡car ¡key ¡you ¡ ¡ already ¡possess ¡ Cipher ¡has ¡insufficient ¡ algebraic ¡complexity ¡ Steal ¡car ¡with ¡no ¡key ¡ Car ¡volunteers ¡ciphertext ¡ 1 ¡ 2 ¡ Result ¡ Risk ¡

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SLIDE 20

Agenda ¡

20 ¡

§ A ¡risk ¡perspecRve ¡on ¡cryptography ¡ § Breaking ¡silence ¡– ¡ ¡ Algebraic ¡a9acks ¡on ¡RFIDs ¡ § Ciphering ¡the ¡predictable ¡– ¡ ¡ Rainbows ¡against ¡mobile ¡crypto ¡

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SLIDE 21

GSM ¡uses ¡symmetric ¡64-­‑bit ¡A5/1 ¡session ¡keys ¡for ¡call ¡privacy ¡

Operator ¡Home ¡ Loca*on ¡Register ¡ Base ¡sta*on ¡ Cell ¡phone ¡ Random ¡ nonce ¡ and ¡ session ¡ key ¡ Random ¡nonce ¡ with ¡session ¡key ¡ CommunicaRon ¡ A5/1-­‑encrypted ¡ Operator ¡and ¡ phone ¡share ¡a ¡ master ¡key ¡to ¡de-­‑ ¡ rive ¡session ¡keys ¡ Hash ¡ funcRon ¡ Random ¡nonce ¡ Master ¡key ¡ Session ¡key ¡ We ¡want ¡to ¡ crack ¡this ¡key ¡

21 ¡

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SLIDE 22

Pre-­‑computaRon ¡tables ¡store ¡the ¡computed ¡A5/1 ¡code ¡book ¡in ¡ condensed ¡form ¡

The ¡uncondensed ¡code ¡book ¡is ¡100’s ¡of ¡Petabyte. ¡Tables ¡provide ¡a ¡ trade-­‑off: ¡Longer ¡chains ¡:= ¡ ¡a) ¡less ¡storage, ¡b) ¡longer ¡a9ack ¡Rme ¡ Collision ¡ 2F06 ¡ B951 ¡ A8F3 ¡ 49A6 ¡ 503A ¡ CAF3 ¡ CAF3 ¡ 118F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ OCFE ¡ 77CF ¡ 77CF ¡ B33F ¡ E233 ¡ DB18 ¡ 22CB ¡ 87A4 ¡

22 ¡

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SLIDE 23

Table ¡opRmizaRon ¡1: ¡ ¡ DisRnguished ¡point ¡tables ¡save ¡hard ¡disk ¡lookups ¡

Only ¡one ¡hard ¡disk ¡access ¡needed ¡instead ¡of ¡one ¡for ¡each ¡chain ¡link ¡ B0F0 ¡ 44B2 ¡ BEFO ¡ F415 ¡ 302F ¡ 44B2 ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ F ¡ Collision ¡ 7707 ¡ CA06 ¡ 6100 ¡ A200 ¡ A200 ¡ B400 ¡

23 ¡

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SLIDE 24

Table ¡opRmizaRon ¡2: ¡ ¡ Rainbow ¡tables ¡miRgate ¡the ¡effect ¡of ¡collisions ¡

E233 ¡ 44B2 ¡ BBA8 ¡ 1B22 ¡ DB18 ¡ ODE3 ¡ 44B2 ¡ 5DE2 ¡ 22CB ¡ 6C7A ¡ 55D2 ¡ 922A ¡ 87A4 ¡ 11F6 ¡ 362E ¡ C7D5 ¡ F1 ¡ F2 ¡ F3 ¡ F1 ¡ F2 ¡ F3 ¡ F1 ¡ F2 ¡ F3 ¡ F1 ¡ F2 ¡ F3 ¡ Collision ¡ Rainbow ¡tables ¡have ¡no ¡mergers, ¡but ¡quadraRcally ¡growing ¡a9ack ¡Rme ¡

24 ¡

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SLIDE 25

GSM ¡calls ¡and ¡SMS ¡are ¡insecure ¡based ¡on ¡two ¡bugs ¡

25 ¡

Key ¡can ¡be ¡brute-­‑forced ¡ (in ¡days), ¡but ¡based ¡on ¡ what ¡data? ¡ TransacRons ¡are ¡ encrypted ¡with ¡64 ¡bit ¡ session ¡keys ¡ Session ¡key ¡can ¡be ¡ looked ¡up ¡in ¡rainbow ¡ tables ¡in ¡seconds ¡ Back-­‑clockable ¡stream ¡ cipher ¡is ¡used ¡to ¡encrypt ¡ predictable ¡texts ¡ 1 ¡ 2 ¡ Result ¡ Risk ¡

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SLIDE 26

SIM ¡cards ¡are ¡managed ¡through ¡OTA ¡protocol, ¡whose ¡error ¡ handling ¡is ¡underspecified ¡

26 ¡

A<acker ¡ probes ¡cards ¡ to ¡gain ¡ material ¡for ¡ DES ¡key ¡ cracking ¡ ¡

¡* ¡EsRmated ¡from ¡a ¡geographically ¡skewed ¡measurement ¡set ¡

SIM ¡card ¡ ¡ with ¡DES ¡ ¡ key ¡ ¡ (prevalence ¡of ¡DES ¡ keys ¡varies ¡between ¡

  • perators; ¡can ¡be ¡up ¡

to ¡100%) ¡ Binary ¡SMS ¡communica*on ¡ Command ¡with ¡ wrong ¡signature ¡ Use: ¡DES ¡ signature ¡ Request: ¡DES ¡ signature ¡ Response ¡to ¡mal-­‑signed ¡request ¡differs ¡by ¡card ¡type ¡

  • c. (25%*) ¡
  • b. (50%*) ¡
  • a. (25%* ¡ ¡
  • f ¡cards) ¡

(No ¡response) ¡ Error ¡message ¡ DES ¡ signature ¡ Error ¡message ¡ SomeRmes ¡ with ¡all-­‑zeros ¡ signatures ¡ Data ¡useable ¡for ¡key ¡cracking ¡

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SLIDE 27

Java ¡virus ¡has ¡have ¡access ¡to ¡lots ¡of ¡abusable ¡funcRonality ¡

27 ¡

OTA-­‑deployed ¡SIM ¡virus ¡can ¡access ¡SIM ¡Toolkit ¡API ¡ Standard ¡STK ¡func*on ¡ Abuse ¡poten*al ¡ Send ¡SMS ¡ § Premium ¡SMS ¡fraud ¡ Dial ¡phone ¡numbers, ¡send ¡ DTMF ¡tones ¡ § Circumvent ¡caller-­‑ID ¡checks ¡ § Mess ¡with ¡voice ¡mail ¡ Send ¡USSD ¡numbers ¡ § Redirect ¡incoming ¡calls; ¡someRmes ¡also ¡SMS ¡ § Abuse ¡USSD-­‑based ¡payment ¡schemes ¡ Query ¡phone ¡loca*on ¡and ¡ seBngs ¡ § Track ¡vicRm ¡ Open ¡URL ¡in ¡phone ¡browser ¡ § Phishing ¡ § Malware ¡deployment ¡to ¡phone ¡ § Any ¡other ¡browser-­‑based ¡a9ack ¡

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SLIDE 28

SIM ¡cards ¡are ¡insecure ¡based ¡on ¡several ¡bugs ¡

28 ¡

Intercept ¡management ¡ SMS ¡locally, ¡break ¡key, ¡ manage ¡card ¡ SIMs ¡are ¡managed ¡using ¡ 56 ¡bit ¡DES ¡keys ¡by ¡some ¡

  • perators ¡

Remote ¡persistent ¡SIM ¡ infecRon ¡ Same ¡key ¡is ¡used ¡in ¡both ¡ direcRons; ¡some ¡cards ¡ sign ¡error ¡messages ¡ Remote ¡SIM ¡cloning ¡ (Some) ¡SIMs ¡java ¡VM ¡is ¡ exploitable ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ Result ¡ Risk ¡

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SLIDE 29

¡ ¡ ¡ ¡ ¡For ¡some ¡cards, ¡even ¡3DES ¡keys ¡are ¡crackable ¡

29 ¡

Downgrade ¡a<ack ¡flow ¡ Some ¡SIM ¡ ¡ cards ¡with ¡ ¡ 3DES ¡key ¡ ¡ use ¡lower ¡signature ¡ schemes ¡when ¡ requested ¡(in ¡violaRon ¡

  • f ¡the ¡standard) ¡

¡* ¡Must ¡be ¡brute-­‑forced; ¡Rainbow ¡table ¡a9ack ¡no ¡longer ¡possible ¡

A<acker ¡ Command ¡ Request ¡DES-­‑signed ¡ response ¡(KID ¡= ¡1) ¡ ¡ ¡Error ¡ DES-­‑signed ¡ Command ¡ Request ¡2-­‑key ¡3DES ¡ response ¡ ¡(KID ¡= ¡5) ¡ ¡ ¡Error ¡ 2-­‑key ¡3DES-­‑signed ¡ Command ¡ Request ¡3-­‑key ¡3DES ¡ response ¡ ¡(KID ¡= ¡9) ¡ ¡ ¡Error ¡ 3-­‑key ¡3DES-­‑signed ¡ 56 ¡ bit ¡ 56 ¡ bit ¡ 56 ¡ bit ¡ Crack ¡first ¡ third ¡of ¡key ¡ Crack ¡ second ¡ third* ¡ Crack ¡ ¡ final ¡ third* ¡ 3-­‑key ¡3DES ¡ 2-­‑key ¡3DES ¡ DES ¡ 4 ¡

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SLIDE 30

Is ¡3G ¡broken ¡yet? ¡

30 ¡

None? ¡3G ¡only ¡encrypts ¡very ¡short ¡ messages ¡ Cipher ¡in ¡3G ¡can ¡be ¡cracked ¡based ¡on ¡ large ¡ciphertext ¡samples ¡ Result ¡ Risk ¡

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SLIDE 31

Managing ¡IT ¡security ¡risks ¡should ¡involve ¡three ¡perspecRves ¡

31 ¡

Hacker ¡ IncenRve ¡ Risk ¡ Research ¡ Vulnerability ¡ Damage ¡ Industry ¡

QuesRons? ¡

Karsten ¡Nohl ¡<nohl@srlabs.de> ¡ ¡