一种抗差分计算分析的白盒SM4方案

研究白盒密码的设计与分析对于保证密码算法在实际应用场景下的安全性具有重要意义.本文发现白鲲鹏等人提出的白盒SM4方案存在安全性漏洞,采用Bos等人的差分计算分析方法,可以在8分钟内恢复出整个初始密钥.基于非线性编码改进了该方案,可以抵抗差分计算分析.改进后方案需要的内存空间为34.5 MB,各种查找表的白盒多样性的最小值为2^(568.8),各种查找表的白盒含混度的最小值为2^(148.4),有效抵抗Bos等人的差分计算分析、潘文伦等人的攻击、BGE攻击、林-来攻击、De Mulder等人的攻击、MGH攻击以及Lepoint等人的攻击.

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.

白盒SM4的中间值平均差分分析

在白盒攻击环境中,攻击者对密码系统拥有全部的访问权限。为保证在白盒攻击环境下密钥的安全性,提出了白盒密码的概念。2016年,BOS等人首次将侧信道分析思想引入白盒密码的分析工作中,提出差分计算分析方法,开创了白盒密码分析的新路径。差分计算分析以白盒密码程序运行过程中的软件执行轨迹为分析对象,采用统计分析的方法执行密钥提取,是否掌握白盒密码的设计细节对分析几乎不产生影响。白盒SM4是商用密码标准算法SM4在白盒安全模型下的密码实现。为高效地评估白盒SM4的安全性,在对差分计算分析进行研究的基础上,提出一种针对白盒SM4的侧信道分析方法,称为中间值平均差分分析方法(IVMDA)。IVMDA直接利用加密过程中的中间值进行分析,采用线性组合的方式抵消白盒SM4的混淆手段。在最少60条随机明文的参与下,仅需8 min左右即可完整地提取出第一轮子密钥。该方法相比于已有的分析方法,具备部署方便、适用于实际应用环境、分析效率高的特点。

白盒SM4的分析与改进

差分计算分析(DCA)是一种应用于白盒实现安全性分析的侧信道分析手段,其高效性在白盒高级数据加密标准(AES)的分析工作中已得到验证。该文针对白盒SM4方案提出一种类差分计算分析的自动化分析方法,该分析以白盒SM4方案中的查找表结果为分析对象,采用统计分析的方法提取密钥,称为中间值平均差分分析(IVMDA)。相比于已有的白盒SM4的分析方法,中间值平均差分分析所需要的条件更少,分析效率更高。在对白盒SM4方案进行成功分析后,该文提出一种软件对策以提高白盒SM4方案的安全性,该对策利用非线性部件对白盒方案中的中间状态进行混淆,消除中间状态与密钥之间的相关性。实验证明该对策可以有效抵抗中间值平均差分分析。