SMS4密码算法的差分功耗分析攻击研究

SMS4算法是用于无线局域网产品的分组密码算法,本文研究对SMS4密码算法的差分功耗分析攻击方法. 通过对算法结构的分析,结合差分功耗分析技术的原理,提出一种面向轮密钥字节的攻击方法. 在利用该方法获取最后四轮轮密钥的基础上,即可进一步推算出128bit加密密钥. 仿真实验结果证明,该攻击方法对SMS4轮运算有效可行,SMS4算法对差分功耗分析攻击是脆弱的,密码硬件设备需要对此类攻击进行防护.     

面向ASIC实现的CPA研究平台及其应用

差分功耗分析（DPA）是一种非侵入式边信道攻击技术,对各种密码芯片的安全构成了极大威胁。为了能够快速地评估密码算法ASIC实现方式的算法级抗功耗分析攻击措施的实际效果,将门级功耗分析方法应用于功耗分析攻击评估技术中,搭建了基于PrimeTime PX和MATLAB的相关性功耗分析（CPA）研究平台。该平台具有较强的通用性,只需修改算法攻击功耗模型部分,即可快速完成对不同密码算法ASIC实现中算法级防护措施的评估。作为应用,利用该平台分别对普通AES算法实现和基于Threshold技术的AES算法实现进行了相关性攻击实验,证明了该平台的有效性和便捷性。     

功耗分析仿真软件设计与实现

设计并自主开发一个功耗分析仿真软件,完成对硬件描述语言实现的密码算法IP核进行功耗仿真分析。用软件仿真功耗分析攻击,可以在嵌入式加密芯片的设计阶段评估设计方案和抗功耗分析攻击的性能,提高工作效率,降低开发时间和成本,具有很高的实用价值。该软件已经实现了几种常用密码算法及其改进后加密算法的一阶功耗分析和高阶功耗分析功能。经测试得到的仿真结果与理论分析出来的攻击结果相符合,实现了本软件的设计目标。     

ECC抗功率分析攻击的等功耗编码算法

可以抵抗功率分析攻击的椭圆曲线密码算法往往效率较低。针对该问题,将等功耗编码的思想应用到椭圆曲线密码标量乘法运算过程中,通过消除标量乘运算中的功耗差异,掩盖相关密钥信息,达到抵抗功率分析攻击的目的。理论分析结果表明,与二元法抗功耗攻击算法和NAF窗口法抗功耗攻击算法相比,改进算法的执行效率较高。     

嵌入式加密芯片功耗分析攻击与防御研究进展

功耗分析攻击成为嵌入式加密芯片的最大威胁,它破解密码芯片密钥比穷举法要快得多,是一种新的密钥攻击方法.对功耗分析攻击与防御成为近年来研究的热点问题,功耗分析模型是研究功耗攻击与防御的基础,在对功耗攻击模型研究进展进行评述后,分别对功耗分析攻击与防御进行综述,功耗攻击从简单功耗分析攻击、差分功耗分析攻击和高阶差分功耗分析攻击进行比较,防御从算法级和电路级进行对比,并对文献进行了分类整理.通过对国内外研究进展的总结和对比,为特定领域的嵌入式加密芯片提供抗功耗分析攻击解决方案,最后对进一步研究的问题进行了展望.     

一种SMS4加密算法差分功耗攻击

针对SMS4加密电路,采用差分功耗分析攻击方式进行密钥破解.该攻击方法是一种典型的加密芯片旁路攻击方式,其理论基础为集成电路中门电路在实现加密算法时的物理特征、功耗模型及数据功耗相关性.结合中国第一个商用密码算法SMS4,详细介绍了针对SMS4加密系统进行差分功耗分析攻击的设计与实现.开发了相应的仿真实验验证平台,实验验证成功破解了SMS4加密算法的密钥,从而给SMS4加密算法研究者提供了有益的安全设计参考.实验表明,未加防护措施的SMS4加密系统难以抵御差分功耗分析的攻击.     

基于余数系统抗MESD攻击的RSA算法

RSA密码算法是SoC智能芯片最广泛应用的公钥密码算法之一,然而具有实现简单、攻击成功率高等优点的能量分析攻击对其具有较大的安全威胁。MESD攻击是针对RSA密码算法最有效的差分能量分析攻击手段之一。为加强RSA算法抵抗MESD差分能量分析攻击的能力,提出一种基于余数系统和蒙哥马利模乘算法的抗MESD差分能量分析攻击算法。采用余数系统把大数运算转变成小数运算,运用蒙哥马利模乘算法实现模除运算替换。由仿真实验和分析可知:该算法可以抵抗MESD差分能量分析攻击,具有非常好的理论研究意义与实际应用意义。     

RSA密码算法的功耗轨迹分析及其防御措施

针对RSA密码算法的电路,提出了一种新的功耗分析攻击方法--功耗轨迹分析.该方法的基本特点是通过处理电路的功率信号,从信号的轨迹图形中获取RSA算法的敏感信息（如密钥）,因此,功耗轨迹分析能够有效地攻击现有的多种形式的RSA实现方案.同时还探讨了RSA密码电路防御攻击的措施：直接在算法中添加冗余的伪操作能够抵御功耗轨迹分析攻击,但是这会导致电路功耗增大和速度降低.进而还提出了一种将RSA算法中的伪操作随机化的新方法.该方法能够在保证电路安全性的同时又节省电路功耗和运算时间.     

轻量级PRESENT加密算法功耗攻击研究

PRESENT密码算法是2007年提出来的一种轻量级分组密码算法, 适合于物联网环境下的安全加密。对PRESENT加密算法结构进行了深入研究, 提出了其适合功耗攻击的两个最佳攻击点, 详细介绍了针对PRESENT加密系统进行功耗分析攻击的设计与实现过程, 实验结果表明未加防护措施的PRESENT加密系统不能抵御一阶差分功耗分析攻击, 从而给PRESENT加密算法的安全改进提供一定的设计参考。     

识别密码算法具体实现中潜在功耗攻击的理论分析方法

为验证密码算法具体实现技术抗功耗攻击的有效性,提出一种可发现在密码算法具体实现中可能存在的功耗攻击的分析方法,主要包括识别潜在攻击的基本理论、描述密码算法具体实现的增强数据相关图、根据基本理论和增强数据相关图以识别不同强度功耗攻击的算法,并给出针对一种典型的AES算法防护技术的分析结果.结合文中的结果以及密码算法部件抗功耗攻击能力的量化分析,可以建立相应的抗功耗攻击的设计流程.     

Grain-128同步流密码的选择初始向量相关性能量攻击

不同于分组密码,序列密码构造相对简单且大量使用线性运算,因此攻击点功耗与其他功耗成分之间往往存在较强的相关性,使得能量分析攻击难以实施。针对上述现状,提出了一种面向Grain-128同步流密码的选择初始向量（IV）相关性能量攻击方案。首先对Grain-128的输出函数h(x)进行了分析,并基于此确定了攻击点表达式;其次通过选取特定的初始向量,消除了攻击点功耗和其他功耗成分之间的相关性,从而解决了能量攻击所面临的关键问题;最后基于功耗分析工具PrimeTimePX对攻击方案进行了验证。结果表明,该方案仅需736个IV样本即可实施23轮攻击,恢复46比特密钥。     

Differential fault analysis on the ARIA algorithm

The ARIA algorithm is a Korean Standard block cipher, which is optimized for lightweight environments. On the basis of the byte-oriented model and the differential analysis principle, we propose a differential fault attack on the ARIA algorithm. Mathematical analysis and simulating experiment show that our attack can recover its 128-bit secret key by introducing 45 faulty ciphertexts. Simultaneously, we also present a fault detection technique for protecting ARIA against this proposed analysis. We believe that our results in this study will also be beneficial to the analysis and protection of the same type of other iterated block ciphers.     

针对DES密码芯片的CPA攻击仿真

为研究密码芯片抗功耗分析性能,构造了一个功耗分析研究平台,结合DES算法在平台上进行了相关性功耗分析(CPA)攻击仿真实验。根据猜测部分密钥时的模拟功耗与猜测整个密钥时模拟功耗之间的相关系数大小来确定猜测密钥的正确性,由此可以确定整个密钥。这种功耗分析仿真方法,能够揭示未经防御的DES算法面临CPA攻击时的脆弱性。     

PRESENT相关功耗分析攻击研究

对PRESENT分组密码抗相关功耗分析能力进行了研究。基于汉明距离功耗模型,提出了一种针对PRESENT S盒的相关功耗分析方法,并通过仿真实验进行了验证。结果表明,未加防护措施的PRESENT硬件实现易遭受相关功耗分析威胁,5个样本的功耗曲线经分析即可恢复64位第一轮扩展密钥,将80位主密钥搜索空间降低到216,因此,PRESENT密码硬件实现需要对此类攻击进行防护。     

7轮ARIA-256的不可能差分新攻击

如何针对分组密码标准ARIA给出新的安全性分析是当前的研究热点。基于ARIA的算法结构,利用中间相遇的思想设计了一个新的4轮不可能差分区分器。基于该区分器,结合ARIA算法特点,在前面加2轮,后面加1轮,构成7轮ARIA-256的新攻击。研究结果表明：攻击7轮ARIA-256所需的数据复杂度约为2120选择明文数据量,所需的时间复杂度约为2219次7轮ARIA-256加密。与已有的7轮ARIA-256不可能差分攻击结果相比较,新攻击进一步地降低了所需的数据复杂度和时间复杂度。     

差分功耗分析攻击下密码芯片风险的量化方法

针对差分功耗分析(DPA）攻击的原理及特点,利用核函数估算密码芯片工作过程中功耗泄漏量的概率分布密度,通过计算密钥猜测正确时攻击模型与功耗泄漏量之间的互信息熵,将密码芯片在面对DPA攻击时所承受的风险进行了量化。实验表明,该风险量化方法能够很好地估算出密钥猜测正确时攻击模型与功耗泄漏量之间的相关度,并为完整的密码芯片风险分析提供重要指标。     

不可能差分攻击中的明文对筛选方法

基于快速排序原理,提出用于筛选明文对的基本算法和改进算法,改进算法的计算复杂性可以将由直接检测方法的O(n2)降为O(nlogn)。基于上述结果以改进算法分析对ARIA等分组密码算法的几个不可能攻击的计算复杂性,证明ICISA2008上发表的某个针对对ARIA的不可能攻击的数据筛选过程的计算复杂性远高于密钥求解过程的计算复杂性。     

基于小波变换去噪的相关功耗分析攻击研究与实现

为了提高功耗分析攻击效率,减少噪声影响,研究了小波变换去噪对功耗攻击的影响以及相关功耗分析（correlation power analysis,CPA）攻击的相关系数与攻击效果的关系,提出使用平移不变量小波法与小波模极大值法对功耗曲线进行去噪预处理。该方法使用卡尔曼滤波法、小波模极大值法与平移不变量小波法对功耗曲线进行去噪预处理,再对原始数据及去噪后数据分别进行CPA。实验结果显示,与原始数据相比,使用平移不变量小波法改进的CPA相关系数比仅使用CPA提高了165%,比卡尔曼滤波法提高了31.4%,比小波模极大值法相关系数提高了26.4%,同时攻击成功所需要的功耗曲线减少了92%。实验结果表明使用平移不变量小波法改进的相关功耗分析攻击效果最好。     

针对SM4的混合智能侧信道分析攻击方法

目前国内外针对SM4算法的传统侧信道分析攻击,由于计算量问题,采取将S盒隔离,逐个攻破的方式进行密钥恢复。该方式无法利用功耗曲线中与密钥相关的全部信息,造成信息浪费、所需实测功耗曲线数量多等问题。针对传统方式的局限性,提出一种针对SM4算法的混合智能侧信道分析攻击方法。该方法将SM4算法中的4个S盒视为一个整体,同时利用多个S盒的功耗泄露信息,通过PSO与GA相结合的混合算法快速搜索密钥。对传统和该方法进行密钥恢复对比实验,通过实验结果可知,恢复SM4算法S盒第一轮轮密钥传统分析方法需1 670条实测功耗曲线,而该方法仅需790条,验证该方法能够减少恢复SM4算法密钥所需实测功耗曲线数量,提高侧信道分析攻击效率。     

Impossible Differential Cryptanalysis of Reduced-Round ARIA and Camellia

This paper studies the security of the block ciphers ARIA and Camellia against impossible differential cryptanalysis. Our work improves the best impossible differential cryptanalysis of ARIA and Camellia known so far. The designers of ARIA expected no impossible differentials exist for 4-round ARIA. However, we found some nontrivial 4-round impossible differentials, which may lead to a possible attack on 6-round ARIA. Moreover, we found some nontrivial 8-round impossible differentials for Camellia, whereas only 7-round impossible differentials were previously known. By using the 8-round impossible differentials, we presented an attack on 12-round Camellia without FL/FL^-1 layers.