加密芯片的旁道攻击防御对策研究

论文摘要

功耗攻击方法是得到广泛重视和应用的一种旁道攻击方法，它观测加密芯片运行时的功耗变化特征，研究处理数据与功耗之间的相关性，根据相关性推算出芯片内部存储的密钥。功耗攻击方法实施简单，攻击能力强，具有通用性，与具体加密算法无关，能够攻击各种加密算法的芯片。差分功耗分析（Differential Power Analysis，DPA）和高阶差分功耗分析（High OrderDifferential Power Analysis，H-O DPA）攻击能力更强，而且随着研究的深入，实施攻击方法越来越成熟，攻击成本下降，对加密芯片构成极大威胁。有些针对特定加密算法进行改进的攻击方法，其攻击效果更好。本论文主要针对功耗分析技术的特点及关键技术，特别是DPA和高阶DPA技术进行研究，提出具体的改进防御方法，增强加密芯片防御DPA的能力，并进行加密芯片的设计和仿真。对新出现的专门针对具体加密算法的攻击方法，也进行了研究并提出相应的防御方法。完成的主要研究工作如下：1)提出修改AES算法的防御方法。引入随机化方法和变形屏蔽方法（Transformed Masking Method，TMM）修改AES算法，同时将AES算法中GF（28）求逆运算的部分用简单动态差分逻辑构建，使AES芯片能够防御零值攻击。安全性分析表明，攻击新的方法所需的样本数是标准二阶DPA攻击的（16+4*n）2倍，这使攻击变得不可行，仿真表明可以防御零值攻击。2)对采用屏蔽方法的DES芯片提出改进的屏蔽方法。在数据进入S盒之前不恢复密钥，而是修改S盒，即能够保护密钥，又使得数据在经过S盒变换后能够消除屏蔽。DES算法中同时存在异或屏蔽和加法屏蔽，引入两者之间相互安全转换的方法，使得算法中的敏感数据不以明文出现，能够完全屏蔽。分析表明可以防御关联攻击、重叠攻击等新的攻击方法。3)针对DES加密系统提出采用算法层和逻辑层组合的方法改进独特屏蔽方法（Unique Masking Method，UMM）；研究灵敏放大器型逻辑（SenseAmplifier Based Logic，SABL）特性，设计功耗平衡SABL单元库，半定制设计流程，并指出用SABL实现S盒的原因。对其安全性分析和仿真实验表明可以防御高阶DPA攻击。4)设计能够防御高阶DPA攻击的DES芯片。修改原始S盒，增加1个随机数和2组S盒。采用SABL实现DES芯片关键部分模块；采用CMOS实现非关键部分模块，最后构成整体DES芯片。设计实现芯片时考虑智能卡的限制，在一些性能指标上进行折中，采用部分流水结构。对其进行性能仿真并与现有芯片进行分析比较，芯片能够实现加解密，提高防御高阶DPA攻击的能力，比以前的方法节省资源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题意义
• 1.2 智能卡安全工作原理
• 1.3 攻击智能卡的常规方法
• 1.4 加密算法原理
• 1.4.1 密码体制基本概念
• 1.4.2 密码体制分析
• 1.4.3 好密码体制的若干特性
• 1.4.4 分组加密算法设计原则
• 1.5 本文的研究内容
• 1.6 本文的组织结构
• 第2章 旁道攻击技术
• 2.1 引言
• 2.2 旁道攻击方法分类
• 2.3 电磁辐射、时序攻击和故障攻击
• 2.4 功耗攻击的物理基础和衡量防御能力的参数
• 2.5 功耗攻击技术
• 2.5.1 功耗攻击芯片实施方法
• 2.5.2 SPA攻击方法
• 2.5.3 DPA攻击的前提条件
• 2.5.4 差分功耗攻击
• 2.5.5 高阶DPA攻击及改进方法
• 2.6 新的功耗攻击技术
• 2.6.1 关联功耗和重叠攻击
• 2.6.2 功耗轨迹攻击方法
• 2.6.3 针对RSA的攻击方法
• 2.7 防御功耗攻击的方法
• 2.7.1 算法层防御方法
• 2.7.2 逻辑层防御方法
• 2.8 本章小结
• 第3章 改进AES防御零值攻击
• 3.1 AES算法特点
• 3.1.1 AES中一些数学基础
• 3.1.2 AES加密算法
• 3.1.3 AES安全分析
• 3.2 零值攻击方法及防御方法
• 3.3 改进AES防御零值攻击
• 3.3.1 引入屏蔽方法和随机化方法
• 3.3.2 采用SDDL逻辑实现GF（256）上求逆运算部件
• 3.4 安全性分析说明和仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 采用屏蔽技术改进DES
• 4.1 DES算法和安全性分析
• 4.1.1 DES算法的基本运算
• 4.1.2 DES存在的问题
• 4.1.3 S盒的特性
• 4.2 DES安全分析
• 4.2.1 对DES的分析方法
• 4.2.2 DPA攻击DES方法
• 4.3 屏蔽方法防御DPA
• 4.3.1 屏蔽方法在DES算法中的使用
• 4.3.2 异或屏蔽和加法屏蔽方法
• 4.3.3 异或屏蔽和加法屏蔽之间的相互转换
• 4.4 采用变型的屏蔽方法改进DES算法
• 4.5 安全性分析说明和仿真结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 算法层和逻辑层结合防御DPA攻击
• 5.1 采用UMM改进DES算法
• 5.1.1 独特屏蔽方法
• 5.1.2 对UMM的攻击及第一次改进
• 5.1.3 对改进后的UMM攻击及第二次改进
• 5.2 功耗平衡逻辑
• 5.2.1 SABL结构
• 5.2.2 SABL逻辑特性
• 5.3 定制功耗恒定标准单元库
• 5.4 用SABL实现S盒的原因
• 5.5 UMM与SABL结合防御高阶差分功耗分析
• 5.6 安全性分析说明和仿真结果
• 5.7 本章小结
• 第6章 防御功耗攻击的DES芯片设计
• 6.1 基本DES芯片结构
• 6.2 功耗平衡电路实现DES关键模块
• 6.3 用UMM保护部分DES轮
• 6.4 组合方法构建的DES芯片硬件实现
• 6.5 性能仿真测试和比较
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢