对一种白盒SM4方案的差分计算分析

传统密码算法的安全性建立在黑盒攻击模型下. 在这种攻击模型下, 攻击者只能获取密码算法的输入输出, 而无法得知密码算法运行时的内部细节. 近年来白盒攻击模型的概念被提出. 在白盒攻击模型下, 攻击者既可以获取密码算法的输入输出, 也可以直接观测或更改密码算法运行时的内部数据. 为保证已有密码算法在白盒攻击环境下的安全性, 在不改变其功能的基础上通过白盒密码技术对其进行重新设计被称为已有密码算法的白盒实现. 研究白盒实现方案的设计与分析对于解决数字版权管理问题具有重要意义. 近年来, 出现了一类针对白盒实现方案的旁信道分析方法. 这类分析手段只需要知道很少白盒实现方案的内部细节, 却可以提取到密钥, 因此是一类对现有白盒实现方案具有实际威胁的分析手段. 对现有白盒实现方案进行此类分析对于确保方案安全性具有重要现实意义. 此类分析方法中的典型代表是基于差分功耗分析原理的差分计算分析. 基于差分计算分析, 对白-武白盒SM4方案进行了安全性分析. 基于对GF(2)上n阶均匀随机可逆矩阵统计特征的研究结果, 提出了一种改进型差分计算分析(IDCA), 可以在分析成功率几乎不变的前提下显著提升分析效率. 结果表明, 白-武白盒SM4方案在面对差分计算分析时不能保证安全性, 必须对其进行进一步改进使之满足实际应用场景下的安全性需求.     

适于软硬件实现的安全轻量S盒的设计

随着物联网的发展,轻量级分组密码算法的设计显得尤为重要。S盒是对称密码算法的关键部件。许多加密算法的硬件实现过程易受侧信道攻击,门限实现是一种基于秘密共享和多方计算的侧信道攻击对策。通过简单地对三次布尔函数中的变量进行循环移位,构建密码性质最优的4×4安全轻量S盒,并且为所构造的S盒设计了门限实现方案来抵御侧信道攻击,该方案是可证安全的。该方法构造的S盒的四个分量函数的实现电路相同,极大地降低了硬件实现的复杂度。给定S盒的一个分量,其余的三个分量可通过该分量的循环移位获得,这样大大降低硬件实现成本,易于快速软件实现。     

后量子密码算法的侧信道攻击与防御综述

为解决量子计算对公钥密码安全的威胁,后量子密码成为密码领域的前沿焦点研究问题.后量子密码通过数学理论保证了算法安全性,但在具体实现和应用中易受侧信道攻击,这严重威胁到后量子密码的安全性.本文基于美国NIST第二轮候选算法和中国CACR公钥密码竞赛第二轮的候选算法,针对基于格、基于编码、基于哈希、基于多变量等多种后量子密码算法进行分类调研,分析其抗侧信道攻击的安全性现状和现有防护策略.为了深入分析后量子密码的侧信道攻击方法,按照算法核心算子和攻击类型进行分类,总结了针对各类后量子密码常用的攻击手段、攻击点及攻击评价指标.进一步,根据攻击类型和攻击点,梳理了现有防护策略及相应的开销代价.最后我们在总结部分,根据攻击方法、防护手段和防护代价提出了一些安全建议,并且还分析了未来潜在的侧信道攻击手段与防御方案.     

侧信道攻击与防御技术研究进展

侧信道攻击利用密码实现的物理泄露而不是理论弱点来恢复密钥，对密码系统的安全实现有严重的现实威胁.密码设备运行时所产生的能量、电磁、缓存和故障输出等侧信息均可能导致密钥信息泄漏，攻击者通过分析侧信息中与密钥相关的特征点来获取密钥信息.为了应对侧信道攻击，侧信道防御技术和抗泄漏密码学也成为研究的热点问题.前者的总体思路在于消除侧信息泄漏或者消除秘密信息与所泄漏侧信息之间的相关性，而后者旨在准确量化密码系统执行过程中的侧信息泄漏，进而构造具有抗泄漏安全性的密码方案.本文系统地介绍了侧信道攻击与防御技术发展：首先，剖析了时序攻击、能量分析攻击、缓存攻击和故障攻击的基本原理、攻击方法、应用场景和发展现状，并提炼出每一类攻击的通用模型；其次，概括出侧信道防御技术的本质特征，并分析了侧信道防御技术的基本原理、安全模型和应用场景；之后总结了抗泄漏密码学的基本原理与发展现状，梳理了典型的抗泄漏密码方案；最后分析了现有研究工作中存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望.     

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。     

面向格密码的能耗分析攻击技术

量子计算的飞速发展对传统密码的安全性带来巨大挑战,Peter Shor提出的量子计算模型下分解整数和计算离散对数的多项式时间算法对基于传统数论难题的密码系统构成了威胁.美国国家标准与技术研究院(NIST)于2016年开始征集后量子公钥密码算法标准,其中,大多基于格、基于哈希、基于编码、基于多变量这四种密码体制,而基于格的密码体制在其公钥尺寸、计算效率和安全性方面具有更好的平衡性,所占比例最大.然而,格密码的实现在实际环境中易遭受能耗分析攻击(Power Analysis Attacks).能耗分析攻击是利用密码设备运行过程中产生的功耗、电磁等信息,攻击者建立这些旁路信息与密码算法中间值之间的联系从而恢复密钥等敏感信息.自从能耗分析攻击出现以来,该类攻击手段严重威胁了密码系统的安全.随着量子计算的发展,后量子密码的安全性日益成为密码研究的热点,特别地,近期NIST公布了最新轮的后量子密码算法,作为占据比例最多的格密码,其侧信道安全性也受到了学术界的广泛关注.本文针对格密码的能耗分析攻击技术从攻击模型、攻击目标、攻击条件开展研究,分析了面向格密码的攻击原理、格密码的各个算子的侧信道安全性,...     

基于原子混淆的通用侧信道漏洞修补方法

包含侧信道漏洞的代码在程序被执行时会表现出与输入有关的非功能性行为,攻击者利用微架构的侧信道攻击可获取这些行为,并通过分析行为与输入之间的关联模式恢复应用数据内容,达到窃取用户机密数据的目的.软件层的侧信道漏洞修补方法带给程序的性能损耗较低,并且因为无须修改硬件或系统,可实现快速修补和大范围部署,成为密码算法实现采用的...     

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。     

一种抗侧信道攻击的随机功耗方法

针对RSA密码算法的实现电路有多种攻击方法。功耗平衡技术常用来抵抗侧信道攻击。为了解决抗侧信道攻击算法中开销大的问题。通过混淆比特位为0运算单元之间的功耗,提出一种随机功耗方法来抵抗侧信道攻击。通过对该方法的分析,证明该随机功耗算法能够实现抗计时攻击和能量攻击的目的,功耗能够减少30%左右,且不降低方案的安全性。     

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。     

针对AES算法的按位选择明文能量分析

侧信道分析是一种利用密码设备在加密过程中产生的侧信息来恢复密钥的攻击手段。文章针对SAKURA-G开发板中AES算法硬件实现展开侧信道分析方面的研究。首先指出了基于汉明距离模型的相关能量分析方案的局限性,即在AES算法实现代码未知的情况下,攻击实验无法有效进行。由此,文章提出了一种基于按位差分能量分析的选择明文能量攻击方案,可以在加密算法实现代码未知的情况下有效地进行能量分析,并成功恢复AES算法的密钥。最后展示了与已有选择明文相关能量分析思想的对比实验。对比实验证明,相比已有的选择明文相关能量分析方案,文章提出的按位差分选择明文能量分析方法所需要的密钥猜测空间更小,相应的干扰选项更少且效率更高。     

缓存侧信道防御研究综述

微架构侧信道攻击(microarchitectural side channel attack)是一种利用处理器微架构状态开展侧信道攻击的方式.它打破了操作系统及其他软件层面提供的隔离手段,严重威胁了用户的信息安全,受到了学术界的广泛关注.与其他传统侧信道攻击不同,微架构侧信道攻击不需要攻击者与被攻击对象存在物理接触,也不需要复杂的分析设备,它只需要能够与受害者在同一环境中执行代码就可以完成攻击.基于缓存的侧信道攻击(cache-based side channel attack)利用处理器中广泛存在的缓存(cache)结构,所以这种攻击方式最有吸引力,研究也最为深入.首先总结了微架构侧信道攻击尤其是缓存侧信道攻击相关的硬件架构,之后从攻击者能力、攻击步骤以及攻击目标对攻击模型进行讨论,并根据攻击模型对现有的防御措施进行分类和比较,重点介绍了新型安全缓存架构及其设计方案,最后讨论了现有防御措施面临的挑战以及未来的研究方向.     

基于动态资源使用策略的SMT执行端口侧信道安全防护

同时多线程(simultaneous multi-threading,SMT)技术是提升线程级并行度的重要微架构优化技术之一,SMT技术能够在1个物理核上实现2个逻辑核,提升处理器的整体性能.然而,以共享执行端口为代表的SMT环境下特有的时间侧信道安全问题也陆续出现.提出了一种基于动态资源使用策略的SMT环境下执行端口时间侧信道攻击防护方法,基于SMT技术对数据结构资源的不同处理方式设计动态策略调整算法,通过改进处理器端口绑定及调度选择算法以防护SMT环境下执行端口时间侧信道攻击.防护设计实现了端口冲突矩阵、分支过滤器和动态资源使用策略修改器3个组件,该方法在防护有效性上可以达到关闭SMT技术的防护效果且性能开销大大降低,同时硬件开销可控,具有较高的应用价值.     

侧信道攻击仿真平台的设计与实现方法

针对侧信道攻击需要相应的侧信道仿真工具支持的特点,提出一种侧信道攻击仿真环境的设计方案,并侧重分析了该仿真平台的实现技术.该平台将侧信道泄露的仿真实现和分析实现相分离,采用构件技术对其进行封装,具有较强的灵活性.不同的侧信道泄漏信息以及攻击策略都能以构件的形式加入到平台中,使得测试人员可以根据测试需求灵活地选择测试数据和分析策略.在案例分析中,以分组长度为64比特的DES密码算法为测试对象,分别给出真实环境下测量出的功耗曲线和使用仿真平台所得到的功耗曲线.     

基于机器学习的侧信道分析研究及RSA算法的应用示例

基于机器学习的密码算法侧信道分析是一个较新的研究领域,自首个分析结果发表以来,大量的研究结果表明机器学习算法相比传统方法在侧信道分析中具有很大的性能优势。因此,基于机器学习的侧信道分析应在相关的安全检测技术领域得到充分的应用。本文针对目前侧信道攻击中常用的机器学习算法进行介绍,并针对密码算法RSA进行分析,设计了基于机器学习的侧信道攻击实验并对比实验结果。     

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.     

无线传感器网络节点明文分布对差分功耗分析成功率的影响

无线传感器网络WSN节点中的加密模块往往面临着侧信道攻击SCA的威胁。然而由于WSN节点加密的数据来自于实际的物理信号,明文的分布将会遵循其物理规律,这一点与通常讨论侧信道攻击安全性时假设明文为完全随机的情形不同。为了探索当攻击者用的明文是传感器采集到的实际非均匀分布的信号时差分功耗分析DPA的成功率,该论文从理论和实验上分析了明文分布与分组密码DPA的成功率之间的关系。结论是DPA成功率负相关于明文分布与均匀分布之间的Cramer-von-Mises统计距离。根据这一结论,可以得出当攻击者攻击时能够构造明文,其利用随机均匀分布明文的成功率高;当攻击时只能利用实际数据,攻击最后一轮比攻击第一轮成功率高。     

针对密码算法的高阶DPA攻击方法研究

差分能量分析(DPA)是一种强大的密码算法攻击技术.一种有效的防御措施是对参与运算的中间数据进行掩码,然而采用掩码技术的密码算法仍然可以用高阶DPA进行攻击.高阶DPA攻击与一般DPA攻击相比较存在很多难点,包括建立正确的攻击模型、选取正确的攻击点、构造适当的组合函数以及提高攻击模型的信噪比等.通过对一种经典的掩码方案进行分析,逐一阐述在高阶DPA攻击中如何解决上述难点,并在硬件实现的算法协处理器上对攻击方法进行了验证.     

结合决策树和AdaBoost的缓存侧信道攻击检测

缓存侧信道攻击严重威胁各类系统的安全,对攻击进行检测可以有效阻断攻击。为此,提出了一种基于决策树和AdaBoost的AD检测模型,通过匹配系统硬件事件信息特征,快速有效地识别缓存侧信道攻击。首先,分析缓存侧信道攻击特点,提取攻击硬件事件特征模式。其次,利用决策树的快速响应能力,同时结合AdaBoost对数据样本进行加权迭代,对采集的不同负载下的特征数据进行模型训练,优化检测模型在不同负载时的整体检测精度。实验结果表明,该模型在不同系统负载条件下的检测精度均不低于98.8%,能够快速准确地检测出缓存侧信道攻击。