SM4算法门限掩码方案设计与实现

侧信道分析已严重威胁到密码算法应用安全,为提高SM4算法抵御侧信道分析的能力,提出一种门限掩码方案。首先,完成对SM4算法S盒的复合域分解;其次,基于二共享设计门限掩码方案,使用随机数将S盒输入进行二共享拆分,通过复合域运算和S盒门限掩码进行电路重构,并基于S盒复用降低硬件开销;最后进行线性层操作后将两个输出结果通过异或完成去掩码操作。对SM4算法门限掩码方案的FPGA实现仿真结果和安全性测试结果表明,本掩码方案能够有效抵抗CPA攻击,实现面积相对较低。     

uBlock算法的低代价门限实现侧信道防护方法

在传统的基于黑盒模型的密码分析中,攻击者仅可以利用密码算法的输入输出信息进行攻击,现有密码算法在黑盒模型下的安全性已经得到较为充分的论证.但是在灰盒模型下,攻击者的能力得到提高,其不仅可以获取密码算法的输入输出信息,还可以获得密码算法实际执行过程中泄露的功耗、电磁、光等物理信息,这些物理信息和密码算法的中间状态具有相关性,敌手可以利用这种相关性进行秘密信息的恢复,这种攻击被称为侧信道攻击.侧信道攻击自提出以来,由于其相对低的实现代价以及较高的攻击效率对于密码算法的实现安全性造成了严重的威胁.u Block算法是2019年全国密码算法设计竞赛分组密码一等奖获奖算法,同样受到了侧信道攻击的威胁.目前针对u Block算法的研究较少,在硬件实现方面主要考虑低延迟高吞吐量的实现,缺乏针对资源受限情况下的低代价优化实现,不利于侧信道防护方案的构造.目前公开的文献中指出其S盒适用于基于门限实现的侧信道防护方案构造,存在3-share的无需新随机数的门限防护方案,但是没有给出具体的实现方案.针对这样的现状,本文首先基于流水线和串行化的思想设计并实现了一种适用于u Block算法的低代价硬件实现方案;...     

一种基于门限实现的SM4算法S盒实现方案

针对SM4算法的安全实现面临DPA攻击严重威胁的问题,提出了一种新的SM4算法门限S盒实现方案。该方案基于门限实现技术,通过构造秘密共享函数代替仿射变换,将S盒输入和输出均分成2组进行处理。S盒输入经过秘密共享函数处理后,进入到复合域中进行求逆运算,并采用添加掩码的方法构造了符合门限实现技术分组性质的乘法器,提高了S盒的安全性。该方案在设计和实现过程中均满足门限实现技术对于分组数量和性质的要求,通过安全性分析和实验验证,能够抵御一阶DPA攻击,且具有较低的实现面积和功率消耗。     

一种针对分组密码S盒的组合侧信道攻击方法*

近年来随着半导体工艺的飞速发展和信息安全的重要性不断增强,越来越多的硬件嵌入了密码算法以保证数据安全性。针对嵌入了FPGA密码芯片的设备在运行算法时泄漏的侧信道信息进行了研究,提出一种改进分组密码S盒的组合侧信道攻击方案,该方案由差分功耗攻击、模板攻击、和毛刺攻击构成。通过传统的差分功耗攻击确定S盒运行的时间区间,然后针对目标S盒的输入输出利用一个时钟周期内逻辑门毛刺个数与部分功耗线性相关的方法,采用线性模型匹配算法恢复密钥并减少了基于多元高斯模型匹配的计算量,为今后提高侧信道攻击的效率提供依据。     

轻量级分组密码算法DoT的模板攻击

模板攻击是一种重要的侧信道分析方法,其在实际密码算法破译中具有较强的区分能力。轻量级分组密码算法DoT在硬件和软件实现中都表现出优秀的性能,尽管目前针对DoT算法的传统数学攻击已经取得了一定效果,但是该算法在具体实现中是否足以抵御侧信道攻击仍有待研究。基于DoT算法结构及其S盒特点,提出一种针对DoT算法的模板攻击方法。基于汉明重量模型来刻画加密算法运行时的能耗特征,将S盒输出值的具体分布作为中间状态值构造区分器,从而进行密钥恢复。测试结果表明,该模板攻击仅需6组明文就可恢复出8 bit密钥信息,DoT密码算法在该模板攻击下具有脆弱性。     

适于硬件实现的S盒构造方法

有限域上的乘法求逆变换和仿射变换混合后良好的密码学性质是Rijndeal、Camellia、SMS4等分组密码算法S盒设计的基础,总结了三种分组密码算法的S盒密码学性质,在此基础上提炼出一类S盒的构造模型,并根据硬件实现的特点,利用循环矩阵给出了一大批S盒。与Rijndeal算法S盒相比,此类S盒的密码学性质更加优良,同时硬件实现的资源开销与Rijndeal算法S盒大体相当。     

GIFT密码算法的二阶门限实现及其安全性评估

目前已知GIFT算法的防护方案仅能抗一阶功耗攻击。为了使该算法能抵御高阶功耗攻击,利用GIFT算法的数学结构,结合门限实现方法,构造了GIFT算法的二阶门限实现方案;针对非线性部件S盒的数学特征,分别构建（3,9）,（6,7）以及（5,10）等二阶门限实现方案,并选取所需硬件资源最少的（3,9）方案,将其在FPGA平台下实现。在实现时,为了更好地分析对比所耗硬件资源,使用并行和串行的硬件实现方法。结果表明,在NanGate 45nm工艺库下,并行实现消耗的总面积为12 043 GE,串行实现消耗的总面积为6 373 GE。通过采集实际功耗曲线,利用T-test对该二阶门限实现方案进行侧信息泄露评估,证实了该二阶门限实现方案的安全性。     

自动化门限掩码新方法

为了有效抵御差分功耗攻击,密码芯片通常在算法级使用掩码防护。现有的门限掩码方法主要依赖于手工对密码核心部件的分解、推算及随机比特数的配置,其明显的缺点是计算及验证过程复杂、烦琐,而且掩码方案实现效率往往较低。如何在不注入额外随机数的情况下,自动化地生成掩码方案是目前业界讨论的热点问题。基于依赖函数的最小共享数目提出一种自动化门限掩码新方法。该方法仅需在拆分变元时用到随机数,而其他掩码环节不需引入额外随机数。实验结果表明：该方法应用于轻量级密码LBlock算法及16类最优4 bit密码S盒上的一阶门限掩码防护时,其T-test的峰值较于不加防护情形下的峰值缩小10倍以上;在实际平台的差分功耗攻击下,使用100万条能量迹也无法恢复出LBlock密码算法的任何密钥比特。这证实该掩码防护是新型有效的。此外,针对SKINNY、Midori、PRESENT和PRINCE等轻量级密码算法使用的密码S盒还分别给出其一阶自动化门限掩码新方案。     

数据加密标准S盒的安全实现

从针对卡的测信道攻击提出以来,为了保护密码算法的安全实现,各种防犯手段被提出.对数据加密标准(DES)的防测信道攻击手段也得到了广泛的研究,但是这些手段很少是针对S盒的,给出了一种S盒的安全实现方法,该方法主要是通过数学算法来实现S盒,再通过加入冗余电路的方法来平衡功耗,从而达到抵抗测信道攻击的目的.     

RAIN:一种面向软硬件和门限实现的轻量分组密码算法

RAIN算法的设计基于国际上分组密码设计广泛采用的SPN(substitution permutation network)结构,通过迭代混淆层S盒和扩散层字混合提供强雪崩效应,不仅保证强的安全性,还兼顾了软硬件实现.算法支持64 b分组和128 b分组,2种不同的分组长度采用相同的轮函数结构实现,方案简洁优美.混淆层采用4 b的S盒实现,在S盒实现的时候不仅考虑了其安全性,还考虑S盒的软硬件实现,与扩散层的混合运算结合提供高的实现性能.从差分分析、不可能差分分析、积分攻击和不变子空间分析4个方面对算法进行了自评估,在分析的过程中使用了一些最新的分析方法以及基于MILP(mixed integer linear programming)的自动化搜索等,结果显示:算法可以抵抗现有的分析方法,并且具有较大的安全冗余.RAIN算法软硬件实现效率高,在PC机、ARM平台和硬件FPGA(field programmable gate array)平台下都具有出色的实现性能.算法S盒可以转换为基本逻辑运算,抗侧信道攻击实现代价低.     

一种AES S盒改进方案及其硬件设计

为提高高级加密标准（advanced encryption standard,AES）算法的安全性,提出了一种新的S盒生成方案。在分析了现有S盒存在的问题后,基于S盒的构造原理和密码学性质,通过选择新的不可约多项式和仿射变换对,同时调整仿射变换与乘法逆的运算顺序,构造出一种新的S盒;对生成的新S盒与AES 的S盒以及其他改进S盒在代数式项数、严格雪崩标准距离等方面进行了比较,结果显示新S盒具有更好的代数性质,能够有效抵御代数攻击;还对新S盒进行了硬件设计并优化,DC综合结果显示新S盒复域优化实现消耗的资源比传统复域实现少12%,比查找表法实现少41%。新S盒在安全性方面优于现有S盒,将其应用于AES软件设计和硬件设计,并通过仿真测试验证了其正确性。     

基于混沌系统的S盒生成算法的研究*

S盒是分组密码算法中唯一的非线性部件,设计一个性能良好的S盒具有重要的实际意义。本文提出了一种新的S盒构造方法,算法中利用两个混沌系统进行迭代,操作简单却大大增加了置乱效果。文中分析了S盒的密码学性能,包括双射特性,非线性度,严格雪崩准则,输出比特间独立性,差分概率和线性概率,最后在我们提出的S盒的Lyapunov指数定义的基础上,计算了本文构造的S盒的Lyapunov指数,结果表明该方法生成的S盒具有良好的密码学性质。     

一种改善双射S盒密码特性的有效算法

S盒是许多密码算法中的惟一非线性部件，它的密码强度决定了整个密码算法的安全强度．利用基因算法可以构造出密码特性良好的S盒，实践证明，若能在基因算法的中间过程对子S盒的密码特性作局部优化，将会使算法更加有效．William Millan曾给出一个改善双射S盒的非线性度的算法．而差分均匀性也是衡量S盒密码特性的一个重要指标，研究了如何利用差分矩阵来改善差分均匀性，并给出了一个实用的算法，它能同时改善一个随机选取的双射S盒的非线性度和差分均匀性．     

满足若干密码学性质的S-盒的构造

S-盒是许多密码算法的唯一非线性部件,它的密码强度决定了整个密码算法的安全强度.但 是对于大的S-盒的构造比较困难,而且软硬件实现也比较难,目前比较流行的是8×8的S-盒 .基于m-序列,提出一种构造8×8与8×6的S-盒的方法,通过测试法从中选出了一批非线性 性质与差分均匀性都比较好的S-盒.同时,基于正形置换构造了一批4×4的S-盒.这些S-盒 对进一步设计密码算法提供了非线性资源.     

Using RC4 and AES Key Schedule to Generate Dynamic S-Box in AES

ABSTRACT

Advanced Encryption Standard (AES) block cipher system is widely used in cryptographic applications. Substitution boxes (S-boxes) are a keystone of modern symmetric cryptosystems which bring nonlinearity to the cryptosystems and strengthen their cryptographic security. The S-box component used in classic AES is fixed and not changeable. If the S-box is generated dynamically, the cryptographic strength of AES cipher system would be increased. In this article, we use RC4 and AES Key Expansion algorithms to generate dynamic S-box for AES. The purpose of the proposed approach is to generate more secure S-boxes. The generated S-box will have better results in security analysis. To examine the security, various tests are applied to the new S-box and the results pass all of them.     

基于GPU的密码S盒代数性质评估方法

密码S盒即黑盒,作为对称密码算法中的非线性部件,其代数性质往往决定着密码算法的安全性能。差分均匀度、非线性度及透明阶作为衡量密码S盒安全性质的三个基本指标,分别刻画了S盒抵御差分密码分析、线性密码分析及差分功耗攻击的能力。当密码S盒输入尺寸较大（如S盒输入长度大于15比特）时在中央处理器（CPU）中的求解所需时间仍过长,甚至求解不可行。如何针对大尺寸输入密码S盒的代数性质进行快速评估是目前业界的研究热点。基于图形处理器（GPU）提出一种快速评估密码S盒代数性质的方法。该方法利用切片技术将内核函数拆分至多线程,并结合求解差分均匀度、非线性度及透明阶的特征提出优化方案,从而实现并行计算。测试结果表明,与基于CPU的实现环境相比,基于单块GPU的环境下的实现效率得到了显著的提升。具体来说,计算差分均匀度、非线性度及透明阶所花时间分别节省了90.28%、78.57%、60%,验证了该方法的有效性。     

抗电磁侧信道攻击的AES S盒设计

根据改进的动态差分掩码防护逻辑以及集成电路的半定制流程设计高级加密标准S盒,采用TSMC0.18 μm工艺实现基于3种不同逻辑单元的S盒,并对其抗电磁侧信道攻击性能进行评估.实验结果表明,基于掩码防护逻辑的S盒电磁辐射与输入数据相互独立,能克服双轨电路信号线不平衡导致的信息泄漏问题,从而增强电路的抗电磁侧信道攻击能力.