简化固定值掩码二阶差分功耗攻击方法及其防御措施

功耗攻击是近年来嵌入式加密芯片安全的重要威胁之一,它以较低的代价和很快的速度破解未加防护的加密芯片.简化固定值掩码由于所需消耗资源少,特别适合低功耗小面积要求的智能卡,本文对简化固定值掩码的二种实现方法中一种进行了深入研究与分析,通过理论和实验证明简化固定值掩码采用相同字节方法并不能抗二阶功耗攻击.提出一种改进的部分随机固定值掩码算法,理论和实验证明可以抗二阶差分功耗攻击,与上述简化固定值掩码算法相比:本算法在保持简化固定值掩码算法优点的基础上,可以抗二阶差分功耗攻击.

DES差分功耗分析攻击设计与实现

针对DES(Data Encryption Standard)加密电路,采用了差分功耗分析(Differential Power Analysis,DPA)攻击方式进行解密.该方法是一种典型的功耗类型旁路攻击方式(Side Channel Attacks,SCA),其理论基础为集成电路(ICs)中基本单元CMOS逻辑门在实现加密算法时的物理特征、功耗模型及数据功耗相关特性.结合具体电路,介绍了针对DES加密系统进行的差分功耗分析攻击的设计与实现.目前,实验已经成功地破解了DES加密算法中56位有效密钥中的48位,逐步逼进了最终破解目标.这一结果至少已经表明,由于集成电路功耗等物理信号的泄漏及其在处理不同数据时功耗的差别,未加防护措施的DES加密系统终将难以抵御差分功耗分析的攻击.

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。

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.

数据加密标准旁路攻击差分功耗仿真分析

器件在加密过程中会产生功率、电磁等信息的泄漏,这些加密执行过程中产生的能量辐射涉及到加密时的密钥信息;文章首先简单分析了CMOS器件工作时产生功耗泄漏的机理,即与门电路内处理数据的汉明距离成正比;详细分析了DES加密过程的功耗轨迹,建立了DES加密过程中的功耗泄漏模型,并利用该模型建立了差分功耗分析(DPA)仿真平台;通过这个仿真平台在没有复杂测试设备与测试手段的情况下,对DES加密实现在面临DPA攻击时的脆弱性进行分析,全部猜测48位子密钥所须时间大约为6分钟,剩下的8位可以通过强力攻击或是附加分析一轮而得到;可见对于没有任何防护措施的DES加密实现是不能防御DPA攻击的。

防御差分功耗分析攻击技术研究

差分功耗分析(DPA)攻击依赖于密码芯片在执行加密/解密过程中功耗与数据及指令的相关性,利用统计学等方法对收集到的功耗曲线进行分析,盗取关键信息,对密码芯片的安全性构成极大威胁。防御DPA攻击技术的开发与研究,已经成为信息安全领域的迫切需求。该文在归纳DPA攻击原理的基础上,对主流防御DPA攻击技术的理论与设计方法进行概述与分析,指出防御DPA前沿技术的研究进展。重点讨论防御DPA攻击技术的原理、算法流程和电路实现,包括随机掩码技术、功耗隐藏技术、功耗扰乱技术等等,并详细分析这些技术存在的优缺点。最后,对该领域潜在的研究方向与研究热点进行探讨。

基于虚拟仪器的差分功耗分析攻击平台

差分功耗分析攻击利用嵌入式加密系统功耗泄漏信号来获取加密系统密钥,将穷举问题转化为数据采集、处理问题。在对DES加密嵌入式系统攻击实验中,基于虚拟仪器的差分功耗分析平台令差分功耗分析攻击的数据采集过程由虚拟仪器应用程序控制进行,而后再对采集的功耗进行分析,能够快速、准确地找到加密系统密钥。较传统的穷举攻击而言,减少了消耗的时间和成本。

智能卡芯片中TDES密码电路的差分功耗攻击

使用相关性分析方法进行差分功耗攻击(DPA)实验,成功攻击了TDES密码算法。结果表明,相关性分析方法对简单的功耗模型具有很好的攻击效果且实施简单,对于HD功耗模型,获得TDES每一轮的圈密钥所需最少曲线条数仅为3 500条;同时,由于TDES和DES电路的实现结构相同,对两者进行DPA攻击的方法相同。

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。

时间和功耗双随机化的AES抗差分能量攻击设计

分析了时间随机化技术的不足以及掩码技术(功耗随机化)的缺点,在完全防御差分能量攻击的基础上进行基于抗差分能量攻击的设计,提出一种时间和功耗双随机化的电路结构,将其应用在AES算法中,并在FPGA密码芯片、示波器和PC机组成的功耗采集分析平台中进行了验证.结果表明,该电路具备较强的抗差分能量攻击能力.

针对改进的Masking方法的差分功耗攻击

自1999年Kocher等人提出针对智能卡中DES的差分功耗攻击(DPA)以来,针对DPA的各种防御策略也被大量的提出,Masking就是其中一种简单、高效的方法。文献[2]中Akkar提出了一种改进的Masking方法,然而,本文基于实际的智能卡芯片对该方法成功进行了攻击试验。实验结果表明该方法并不能抵抗DPA的攻击。以此类推,文献[7]中提出的仅对密钥K进行掩码的方法亦不能抵抗DPA的攻击。

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。

面向DES加密算法的差分功耗分析攻击方法

基于旁路攻击原理,针对运行DES密码算法的密码系统,先进行N次密码运算,获取N个随机明文输入。再定义与密钥密切相关的函数,将基于采样时间点的信号数组集合分成两个子集合并计算其平均功耗值。同时观察差分功耗曲线某个位置是否出现明显尖峰判断之前密匙猜测是否正确。最后通过推算及差分功率分析其攻击,获取DES密码算法中第16轮子密钥K16。并从实验平台上实现了差分功耗分析攻击。

一种mCrypton加密算法的差分功耗攻击

mCrypton是一个超轻量级的对称密码算法,其设计是为了适应于资源受限的计算场景,例如RFID标签和传感器等。伴随着物联网的不断发展,该类超轻量级密码算法的应用也变得更加普遍,因此研究算法的实现安全也相应地成为了当前一个重要的研究领域。在对算法的攻击方法中,功耗攻击得益于其易获取、效率快和准确率高等优点,获得了攻击者的高度青睐,本文基于由CMOS工艺实现的数字电路的功耗取决于电路所处理数据的侧信道攻击理论,以mCrypton算法为攻击目标,设计开发了完整的差分功耗攻击(DPA)实验平台,详细介绍了针对mCrypton算法在Mega16单片机中实现的功耗分析研究与论证。在国内尚未发表类似研究成果的情况下,首次用实际测试结果表明了在当前的硬件环境中mCrypton算法抗功耗攻击的脆弱性。

ECC密码算法的差分功耗分析攻击研究

对基于有限域GF(2m)上椭圆曲线密码算法的Montgomery Ladder点乘算法进行了差分功耗分析攻击.首先用Verilog HDL实现了该算法并且用Chartered 0.35μm CMOS工艺将RTL代码综合成电路网表,以便更精确的获取电路运行中所产生的功耗信息.然后用差分功耗分析攻击中的ZEMD攻击方法,并采用算法中P2的横坐标作为中间变量对功耗曲线进行分类,攻击结果显示,Montgomery Ladder算法不能抗ZEMD差分功耗分析攻击.证明了该算法并不安全,在实际应用中还应该采取一些保护措施.

密码芯片中抗差分功耗分析攻击的DES方案设计

为抵抗密码芯片中针对数据加密标准算法的功耗分析攻击,通过分析数据加密标准算法遭受功耗分析攻击的原理,并结合针对数据加密标准算法关键防御技术,给出了一种基于互补电路的中间值掩码DES方案设计。主要是利用双电路进行互补输出,以保证寄存器翻转保持功耗恒定,从而最大限度地降低功耗差异。根据算法性能分析结果表明:该方案可以抵抗差分功耗分析攻击,且实现简单,能够直接应用于密码芯片的电路设计中。

Camellia算法简单和差分功耗分析组合攻击

介绍了Camellia密码算法的加解密流程和差分功耗分析的一般过程。针对Camellia算法单纯差分功耗分析攻击样本量过大、效率较低的问题,提出了一种组合攻击方法:通过硬件仿真平台采集相同密钥不同明文的Camellia密码算法功耗曲线,使用简单功耗分析确定攻击点,然后采用差分功耗攻击获取密钥。实验结果显示:10000条功耗曲线可以破解Camellia算法密钥,验证了组合攻击方法对Camellia算法是可行和有效的。

SM4算法的差分功耗攻击研究

自差分功耗攻击自诞生以来,分组密码算法的实现安全面临重大挑战。SM4算法作为我国的分组密码标准,同样面临功耗分析攻击的严重威胁。文章通过利用自主设计的功耗攻击平台采集SM4算法加密过程中的功耗曲线,并对采集好的曲线进行差分处理,从而获得了SM4算法的密钥。实验结果表明,当采集400条以上功耗曲线时,即有90%以上的概率破解密钥。

防御零值功耗攻击的AES SubByte模块设计及其VLSI实现

密码器件在执行高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)时常以能量消耗方式泄漏密钥信息,为有效降低其与实际处理数据之间的相关性,该文提出一种具有防御零值功耗攻击性能的AES SubByte模块设计及其VLSI实现方案.首先,在分析GF(256)域求逆算法的基础上,采用关键模块复用的方法,提出一种更为有效的加法性屏蔽求逆算法;然后依此进一步得到一种新型的SubByte模块结构,实现在不影响对所有中间数据进行加法性屏蔽编码的同时,减少电路的芯片开销、提高电路的工作速度.实验结果表明,所设计的电路具有正确的逻辑功能.与传统Sub-Byte模块比较,该设计的最高工作频率和面积都有较大的优化.

一种抗相关功耗攻击DES算法及FPGA电路实现

针对目前以差分功耗攻击为代表的旁路攻击技术对加密设备的安全性造成了严重威胁的状况,提出了一种基于"非对称"掩码的新型抗差分功耗攻击的方法,并在标准加密算法(DES)中实现.即通过在算法的不同时刻引入不同的随机掩码变换,使加密设备的功耗与密钥之间的相关性被扰乱,从而抵御相关功耗攻击.以此方案设计了电路并采用FPGA实现了电路.搭建了功耗攻击的FPGA实物平台,分别对未加防御的DES和抗相关功耗攻击DES算法电路进行相关功耗攻击实验.实验结果表明,以增大5倍攻击样本且花费了近5倍的破译时间为代价,仍无法攻破该方法保护的DES算法,可见"非对称"掩码方法对相关功耗攻击起到了防御效果.