分組密碼芯片功耗攻擊與防御問題研究.pdf

1、隨著密碼算法設(shè)計(jì)的進(jìn)步,傳統(tǒng)意義的暴力破解方法已經(jīng)很難獲得密鑰,日常使用的密碼芯片系統(tǒng)(如加密智能卡),其密碼安全性不僅與算法本身有關(guān),同時(shí)也與密碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)相關(guān)。隨著旁路攻擊這一新的密鑰攻擊方式出現(xiàn),學(xué)者們重新開始研究密碼算法的實(shí)現(xiàn)安全。旁路攻擊利用密碼芯片運(yùn)算過程中泄漏的各種物理信息(如功耗、電磁等)破解密碼系統(tǒng),相對(duì)于暴力破解方法,旁路攻擊技術(shù)具有密鑰搜索空間較小,同時(shí)攻擊效率相對(duì)較高;其中,功耗攻擊是旁路攻擊中最有效和目前研

2、究最多的一種旁路攻擊方法,也是最具威脅的一種旁路攻擊方法;對(duì)功耗攻擊技術(shù)進(jìn)行深入研究,并以此為基礎(chǔ)提出抗功耗攻擊的安全密碼算法是非常必要的。
　　 本文研究分組加密算法功耗攻擊與防護(hù)理論與方法,建立高效功耗攻擊模型;引入新的理論和技術(shù),對(duì)分組加密算法進(jìn)行抗功耗攻擊設(shè)計(jì),并對(duì)其改進(jìn)使之適應(yīng)于低功耗小面積智能卡,同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比;開發(fā)設(shè)計(jì)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功耗攻擊仿真驗(yàn)證平臺(tái)。研究?jī)?nèi)容涉及四個(gè)方面:高效功耗攻擊模型與實(shí)驗(yàn)方法、

3、密碼芯片抗功耗攻擊能力量化評(píng)估方法、功耗攻擊與防御方法、抗功耗攻擊的SMS4密碼算法原型實(shí)現(xiàn)。論文主要工作如下:
　　 高效功耗攻擊模型與實(shí)驗(yàn)方法:提出了一種高效的功耗攻擊模型,并以此模型為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)開發(fā)了相應(yīng)的功耗攻擊軟件仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的加密芯片物理原型功耗攻擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái);同時(shí)也設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于AT89C51單片機(jī)的物理加密芯片功耗攻擊驗(yàn)證系統(tǒng)。
　　 密碼芯片抗功耗攻擊能力量化評(píng)估技

4、術(shù):形式化分析各加密算法的抗功耗攻擊能力,依據(jù)加密芯片運(yùn)算時(shí)的信噪比,以及成功實(shí)施功耗攻擊所需的樣本數(shù)來(lái)確定密碼算法抗攻擊性能,建立了功耗攻擊信噪比的理論分析模型,以及根據(jù)信噪比獲得功耗攻擊樣本數(shù)的計(jì)算方法。定量分析結(jié)果也相當(dāng)于給出了密碼算法對(duì)于功耗攻擊的防護(hù)能力,并且對(duì)密碼算法采取何種防護(hù)技術(shù)以及必須達(dá)到何種強(qiáng)度以改善安全性提供了指導(dǎo)信息。
　　 攻擊方法:提出了一種SMS4密碼算法的差分功耗攻擊方法;研究了SMS4密碼算法的

5、最佳攻擊點(diǎn),以及針對(duì)SMS4加密系統(tǒng)進(jìn)行差分功耗攻擊的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)表明末加防護(hù)的SMS4加密算法不能抵抗功耗攻擊。然后從系統(tǒng)層面對(duì)功耗攻擊進(jìn)行研究,以加密芯片為整體對(duì)象提出了五級(jí)功耗信息泄漏攻擊模型,在此基礎(chǔ)上,以密碼芯片進(jìn)行密鑰運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的中間變量與密鑰有關(guān),提出了基于中間變量的攻擊樹模型,并對(duì)攻擊過程進(jìn)行了算法實(shí)現(xiàn)與最小攻擊代價(jià)分析。
　　 防御方法:深入研究了適合資源受限的簡(jiǎn)單固定值掩碼技術(shù),針對(duì)簡(jiǎn)單固定值掩碼方法

6、的不足,提出了改進(jìn)的固定值掩碼算法,以AES算法為例,實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)的固定值掩碼算法可以抗二階差分功耗攻擊。提出了一種偽隨機(jī)固定值掩碼算法(PFM),并以SMS4算法為例進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性,同時(shí),該方法也適應(yīng)于小面積低功耗的智能卡加密應(yīng)用。
　　 原型系統(tǒng):智能卡芯片類設(shè)備均要求進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn),因?yàn)橛布?shí)現(xiàn)速度快,占用資源較少,能夠滿足資源受限的嵌入式設(shè)備運(yùn)算速度和吞吐量的要求,硬件實(shí)現(xiàn)可以節(jié)省CPU和存儲(chǔ)器的開銷,同