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.     

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。     

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.     

针对IDEA加密算法的差分功耗攻击

研究分析国际数据加密算法IDEA的特点,采用差分功耗分析攻击方式进行密钥破解,针对IDEA算法提出一种基于汉明距离的差分功耗攻击方法.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性、功耗模型及数据功耗相关性.详细介绍了针对IDEA加密系统进行差分功耗攻击的设计与实现,开发了相应的仿真实验平台,实验成功破解了IDEA加密算法的密钥,从而给IDEA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IDEA加密系统难以抵御差分功耗的攻击.     

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.     

ARIA分组密码相关性功耗分析

功耗攻击已对密码算法实现的物理安全性构成严重威胁,对其攻击和防御的研究是近年来旁路攻击的热点问题。研究了ARIA韩国国家分组密码的相关功耗分析攻击方法。阐述了ARIA密码算法,给出了密码算法功耗泄露模型及相关性分析的原理,结合ARIA算法给出了相关功耗分析的具体方法,并通过仿真实验验证了攻击的有效性。结果表明,ARIA密码中的非线性S盒查表操作功耗泄露使其易遭受相关功耗分析攻击;仿真环境下10个样本的采集和分析即可恢复ARIA主密钥。     

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。     

基于主成分分析的AES算法相关功耗分析攻击

针对相关功耗分析攻击中,当功耗曲线的功耗采样点较多时攻击速度缓慢的问题,引入了基于主成分分析的预处理方法。利用主成分分析对功耗曲线进行预处理,提取功耗信息中的主成分,抛弃次要成分,将功耗数据降维,达到减少数据分析量的目的,从而提高攻击效率。以高级加密标准为研究对象,对基于主成分分析的相关功耗分析攻击进行了研究。引入主成分分析的相关功耗分析攻击与经典相关功耗分析攻击的对比实验结果表明:基于主成分分析的预处理将功耗曲线中相关性高于0.2的信息集中到前67号的主成分中,有效地将实际分析功耗点的数量降低至经典相关功耗分析的大约1/4。     

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。     

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。     

最新电压毛刺(Power Glitch)攻击与防御方法研究

电压毛刺(Power Glitch)攻击是通过快速改变输入到芯片的电压,使得芯片里的某些晶体管受到影响,引起一个或多个触发器进入错误状态,从而导致处理器会跳过或实施错误的操作,使芯片内隐藏的信息随着产生的错误而泄露出来。对电压毛刺攻击与防御技术的最新进展情况进行了综述。在攻击方面,针对攻击目的的不同,详细介绍了RSA-CRT签名运算、RSA非CRT签名运算、对非易失存储器的攻击技术。防御技术分别介绍了电压毛刺检测电路和掩码,并分析了各种防御方案的优缺点。     

一种安全高效的椭圆曲线密码抗功耗攻击算法

功耗攻击由于实现简单、攻击效率高已成为当前密码芯片最具威胁的攻击手段之一.为有效解决安全和效率两方面的矛盾,通过将椭圆曲线密码标量进行带符号阶乘展开式编码,并利用折半运算提高标量乘法运算效率,然后结合基点掩码实现抵抗功耗攻击,从而给出一种安全高效的抗功耗攻击椭圆曲线密码算法.算法的安全性及效率分析结果表明,所给抗功耗攻击算法不仅可以抵抗各种功耗攻击,并且与传统抗功耗攻击算法相比,新算法的运算效率提高了24.85％～ 25.73％,在各类资源受限的应用系统中具有较好的应用价值.     

一种安全高效的 ECC抗功耗攻击方案

功耗攻击由于实现简单、攻击效率高,已经成为当前密码芯片最具威胁的攻击手段之一.为有效解决安全和效率两方面的矛盾,通过将椭圆曲线密码标量进行带符号阶乘展开式编码,并利用折半运算提高标量乘法运算效率,然后结合基点掩码实现抵抗功耗攻击,从而给出一种安全高效的抗功耗攻击椭圆曲线密码方案.算法的安全性及效率分析结果表明:所给抗功耗攻击方案不仅可以抵抗各种功耗攻击,并且与传统抗功耗攻击方案相比,新方案的运算效率提高了24.83％～27.24％,在各类资源受限的应用系统中具有较好的应用价值.     

分组密码Cache攻击技术研究

近年来,Cache攻击已成为微处理器上分组密码实现的最大安全威胁,相关研究是密码旁路攻击的热点问题.对分组密码Cache攻击进行了综述.阐述了Cache工作原理及Cache命中与失效旁路信息差异,分析了分组密码查表Cache访问特征及泄露信息,从攻击模型、分析方法、研究进展3个方面评述了典型的分组密码Cache攻击技术,并对Cache攻击的发展特点进行了总结,最后指出了该领域研究存在的问题,展望了未来的研究方向.     

基于AT89C51物理功耗攻击实验平台研究

功耗攻击是一种对加密芯片密钥进行攻击的方式,加密芯片功耗攻击与防御是目前信息安全的研究热点。但功耗分析的实验平台构建却比较困难,以DES加密算法为例,构建了一个基于AT89C51功耗攻击物理实验平台。详细叙述了物理实验平台的建立过程、注意事项、实验结果,该功耗攻击物理实验平台构建相对简单,实验运算速度较快,且具有加密算法易于修正的灵活性,可以方便地对加密算法的功耗特性进行改进与验证。     

基于深度学习LSTM的侧信道分析

加密数据的安全性受到加密算法和加密设备的影响,为评估密码硬件的可靠性,能量分析等多种针对加密平台的攻击方法得到广泛应用。深度学习是一种性能良好的数据分析方法,基于深度学习的功耗侧信道攻击方法一经提出便引起关注。提出一种基于深度学习LSTM的侧信道攻击方法,利用相关功耗分析方法确定侧信道功耗数据的兴趣点,通过兴趣点位置选择合适的兴趣区间作为特征向量以搭建神经网络模型。实验结果表明,相比MLP和CNN模型,LSTM网络模型在侧信道攻击中具有较高的攻击效率。     

攻击图技术研究进展

目前网络攻击技术逐步多样化和智能化,攻击者对目标网络内存在的脆弱性会采取多步骤的组合攻击方式进行逐步渗透。攻击图是一种新型的网络脆弱性分析技术,它在对目标网络和攻击者建模的基础上,根据二者之间的相互作用关系计算产生攻击图,展示攻击者利用目标网络脆弱性实施网络攻击的各种可能攻击路径。该技术能够自动发现未知的系统脆弱性以及脆弱性之间的关系,因此是目前研究的热点之一。攻击图技术经历了从面向小型网络的手工分析到自动分析的发展,目前正在向面向大规模网络的自动分析发展。总结了攻击图技术的发展现状,阐述了它的巨大应用前景,最后分析了该技术目前所面临的主要挑战。     

图对抗攻击研究综述

将深度学习用于图数据建模已经在包括节点分类、链路预测和图分类等在内的复杂任务中表现出优异的性能,但是图神经网络同样继承了深度神经网络模型容易在微小扰动下导致错误输出的脆弱性,引发了将图神经网络应用于金融、交通等安全关键领域的担忧。研究图对抗攻击的原理和实现,可以提高对图神经网络脆弱性和鲁棒性的理解,从而促进图神经网络更广泛的应用,图对抗攻击已经成为亟待深入研究的领域。介绍了图对抗攻击相关概念,将对抗攻击算法按照攻击策略分为拓扑攻击、特征攻击和混合攻击三类;进而,归纳每类算法的核心思想和策略,并比较典型攻击的具体实现方法及优缺点。通过分析现有研究成果,总结图对抗攻击存在的问题及其发展方向,为图对抗攻击领域进一步的研究和发展提供帮助。