功耗的分析攻擊研究與抗功耗的分析攻擊密碼芯片設(shè)計(jì)

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1、山東大學(xué)博士學(xué)位論文功耗分析攻擊研究及抗功耗分析攻擊密碼芯片設(shè)計(jì)摘要密碼模塊部分是信息安全系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其安全性的高低直接關(guān)乎整個信息系統(tǒng)的安全．21世紀(jì)以前的大部分時間，對密碼模塊的攻擊主要集中在數(shù)學(xué)分析上，主要是是以線性攻擊和差分攻擊為代表的傳統(tǒng)密碼分析方法，通過利用密碼算法的統(tǒng)計(jì)特性，通過分析所選擇的明密文對來獲取密鑰．這類攻擊一般需要獲取和處理巨量的數(shù)據(jù)，實(shí)際中并不總是可行的．于是有人開始分析用另外的思路，對實(shí)際工作的密碼芯片進(jìn)行攻擊，考慮到密碼芯片實(shí)際工作中總會釋放一些物理信息，比如芯片工作

2、時的電流、電壓、電磁信息，以及與這些信息有關(guān)的時間信息，通過分析這些外漏的物理信息來對芯片進(jìn)行攻擊，這就是旁道攻擊(sideChannelAttack，SCA)．從21世紀(jì)開始，功耗分析攻擊成了一個針對實(shí)現(xiàn)的密碼芯片進(jìn)行旁道攻擊的主要方法．它主要分為三種：簡單功耗分析攻擊、差分功耗分析攻擊、相關(guān)性功耗分析攻擊．簡單功耗攻擊(SimplePowerAnaLlysisAttacl【，SPA)利用加密操作過程中的密鑰位與芯片實(shí)際功耗之間的關(guān)系直接從實(shí)際測量的功耗曲線獲取密鑰信息．差分功耗分析攻擊(Di乳ren

3、t瑚PowerAnalysisAttacI【，DPA)是通過對大量明文或密文和功耗曲線的的統(tǒng)計(jì)分析來獲取密鑰信息．相關(guān)性功耗分析攻擊(CorrelationPowerAnaLlysisAttack，CPA)是通過事先預(yù)設(shè)一個預(yù)測模型，用其進(jìn)行密碼運(yùn)算，得出預(yù)測的功耗信息，然后用實(shí)際的芯片進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)際的功耗與預(yù)測的功耗進(jìn)行相關(guān)性對比分析，從而推測出芯片的實(shí)際工作密鑰．功耗分析理論的出現(xiàn)給密碼芯片帶來了很大的安全性問題，許多文獻(xiàn)給出了對實(shí)際密碼芯片成功進(jìn)行功耗攻擊的實(shí)例．本文主要對幾種主要的密碼算法進(jìn)行功

4、耗分析研究．研究的目的，一是對密碼算法進(jìn)行研究，找出其實(shí)現(xiàn)過程中易受功耗攻擊的原因；二是為了芯片設(shè)計(jì)時增加相應(yīng)地防御措旌以增強(qiáng)其抵御功耗分析攻擊的能力．本文主要有如下貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)：功耗分析平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：為了對抗功耗攻擊，密碼算法在實(shí)現(xiàn)過程中就必須考慮抗功耗攻擊的問題，因此需要一個芯片流片前評估其抗功耗分析攻擊能力的平臺．為此，本文通過將PC應(yīng)用程序和FPGA硬件相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種功耗分析評估平臺．基于高性能FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功耗分析平臺，不僅可以實(shí)現(xiàn)對單獨(dú)的密碼算法模塊進(jìn)行功耗分析實(shí)驗(yàn)，而且還可以對設(shè)計(jì)

5、的整個芯片進(jìn)行抗功耗分析能力評估．功耗分析平臺的實(shí)現(xiàn)不僅為密碼算法功耗分析的研究提供了一個實(shí)踐平臺，而且為密碼芯山東大學(xué)博士學(xué)位論文片的抗功耗分析能力提供了評價平臺。RSA算法功耗分析研究和抗功耗分析攻擊的uSBKEY芯片設(shè)計(jì)：USBKey里面常用的的公鑰算法RSA易受功耗分析攻擊的困擾。本文首先針對RSA算法進(jìn)行了研究，通過分析知道RSA模塊易受功耗分析攻擊的原因是其算法中模冪運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的方式造成的．其模冪運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的基本方式是利用平方一乘積算法原理來實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)方式使得RSA運(yùn)算時產(chǎn)生的功耗與運(yùn)算密鑰

6、的每一個比特位密切相關(guān)，攻擊者通過采集其工作時泄露的功耗信息進(jìn)行分析，從而導(dǎo)致密鑰被解析，因此安全性受到很大的威脅．為抵御SPA和DPA的攻擊，本文提出了在模冪算法實(shí)現(xiàn)方式上增加隨機(jī)偽操作數(shù)和應(yīng)用隨機(jī)混合模冪的防御算法．然后利用該算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)了RSA模塊并通過了仿真驗(yàn)證。最后在FPGA上實(shí)現(xiàn)了USBKey的全部設(shè)計(jì)，并圍繞該FPGA搭建了功耗分析測試硬件平臺，利用該平臺進(jìn)行功耗攻擊實(shí)驗(yàn)．通過對基于LR模冪算法的DPA攻擊和基于固定的混合模冪算法的DPA攻擊，本文驗(yàn)證了上述模冪實(shí)現(xiàn)方式確實(shí)容易被D

7、PA攻擊。最后對本文提出的基于增加隨機(jī)偽操作數(shù)和應(yīng)用隨機(jī)混合模冪的防御算法進(jìn)行DPA攻擊，攻擊結(jié)果表明，該防御算法可以有效地防御MESD攻擊．AES算法功耗分析研究和抗功耗分析攻擊的高速密碼協(xié)處理器設(shè)計(jì)：為了設(shè)計(jì)具有抗功耗分析能力的AES算法模塊，首先研究了AES的基本原理以及算法流程，研究了其易受功耗攻擊的原因，以及相應(yīng)的攻擊算法．然后提出了增加掩碼覆蓋的防御方案．完成了抗功耗分析的AES密碼模塊設(shè)計(jì)，考慮到安全性和可實(shí)現(xiàn)性的平衡，采用了固定幾個掩碼，隨機(jī)選擇的方案以求達(dá)到近似隨機(jī)掩碼的目的．為了加快

8、AES模塊的運(yùn)行速度，采用4級流水線設(shè)計(jì)，每3個時鐘就可以完成一次加解密操作．在高速密碼協(xié)處理器的設(shè)計(jì)中，內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制采用并行調(diào)度機(jī)制，最大化的發(fā)揮了AES密碼模塊的性能．高速密碼協(xié)處理器的功耗分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒有掩碼保護(hù)的設(shè)計(jì)，難以避免DPA攻擊，加了掩碼措施后，可以有效地抵御DPA攻擊．關(guān)鍵詞；功耗分析；RSA算法；AES算法；SPA；DPA；USBKEⅣ；高速密碼協(xié)處理器．坐查查蘭堡主蘭竺至奎MethodologiesofP0wer