AES密码芯片的相关性功耗分析仿真

介绍了CMOS逻辑电路功耗泄露原理,建立了AES密码芯片运算时的功耗泄露模型,设计了相关性功耗分析(CPA)仿真方法.该方法根据部分猜测密钥的模拟功耗与整个正确密钥功耗之间的相关系数大小来确定猜测密钥的正确性,由此逐步推测整个密钥.仿真结果表明了未加防御措施的AES硬件面临CPA攻击时的脆弱性.     

针对AES密码芯片的CPA攻击点选择研究

为解决AES密码芯片的相关性能量攻击(CPA)的攻击点选择问题,提出了一种CPA攻击点的选择方法,搭建了验证CPA攻击点有效性的仿真平台,并针对AES密码芯片进行了选择分析和验证实验。针对AES密码芯片提出了两种CPA攻击点选择——异或(XOR)操作攻击点和S盒(Sbox)操作攻击点。验证结果表明,两种选择都有效,其中后者的效果更好。     

针对DES密码芯片的CPA攻击仿真

为研究密码芯片抗功耗分析性能,构造了一个功耗分析研究平台,结合DES算法在平台上进行了相关性功耗分析(CPA)攻击仿真实验。根据猜测部分密钥时的模拟功耗与猜测整个密钥时模拟功耗之间的相关系数大小来确定猜测密钥的正确性,由此可以确定整个密钥。这种功耗分析仿真方法,能够揭示未经防御的DES算法面临CPA攻击时的脆弱性。     

一种基于最大偏差的AES功耗分析攻击方法

针对高级加密标准(AES)密码算法的电路实现,提出了一种改进的功耗攻击方法.该方法的基本思想是选取2次不同明文输入下的汉明重量差为改进功耗模型,通过选择明文能够最大可能性地增大功耗偏差,从而恢复出密钥.采用UMC 0.25 μm 1.8 v标准CMOS工艺库,利用Synopsys公司的EDA工具得到AES电路加密过程的功耗仿真曲线,建立起功耗攻击平台,并在此平台上进行多种功耗攻击方法的分析和比较.实验结果表明,与普通的差分功耗分析(DPA)和相关功耗分析(CPA)攻击方法比较,提出的改进攻击方法能够以适当的功耗测量次数,以及更小的计算复杂度实现DPA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.     

针对AES密码算法FPGA实现的CEMA攻击

通过分析密码芯片的电磁信息泄漏和近场采集原理,构建了电磁信息采集平台,并研究了相关性电磁分析攻击方法,对基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的高级加密标准(AES)密码算法进行了近场相关性电磁分析(CEMA)攻击。攻击结果表明,该平台能够获取密码芯片工作时的电磁信息泄漏;相关性电磁分析攻击方法能够获得正确密钥。     

针对FPGA密码芯片M-DPA攻击的研究与实现

分析了DPA、B- DPA和M- DPA等三种差分功耗分析方法的原理;在FPGA内部采用并行设计与流水线设计方法实现了AES的密码电路,分别采用DPA、B- DPA和M-DPA 三种方法对AES的FPGA电路实现进行了攻击;得出结论:M- DPA攻击方法能够很好地减少FPGA密码芯片的并行设计和流水线设计带来的不利影响,能够有效增大分析的信噪比,减少攻击的样本量,提高攻击的效率;M-DPA攻击方法相对于DPA和B-DPA攻击能够更加适用于FPGA密码芯片的功耗旁路分析.     

高级数据加密标准的差分电磁分析

为研究高级数据加密标准(AES)针对电磁旁路攻击的脆弱性,分析了微处理器的电磁信息泄漏模型和攻击AES时D函数的选择问题.针对PHILIPS 89C51实现的AES-128密码系统,采用差分电磁分析的方法进行了密码破译实验,成功获得了128位密钥.经分析发现AES的字节替代变换可产生密钥泄露,为密码系统实施相关防护措施提供了依据.     

PRESENT相关功耗分析攻击研究

对PRESENT分组密码抗相关功耗分析能力进行了研究。基于汉明距离功耗模型,提出了一种针对PRESENT S盒的相关功耗分析方法,并通过仿真实验进行了验证。结果表明,未加防护措施的PRESENT硬件实现易遭受相关功耗分析威胁,5个样本的功耗曲线经分析即可恢复64位第一轮扩展密钥,将80位主密钥搜索空间降低到216,因此,PRESENT密码硬件实现需要对此类攻击进行防护。     

一种椭圆曲线密码算法ECC旁路攻击方法研究

针对椭圆曲线密码算法ECC的旁路安全性进行研究,分析了ECC算法的旁路攻击脆弱点。对点乘和点加进行了研究,在此基础上,研究ECC密码算法差分功耗攻击过程,给出了未加防护和加入一位固定值掩码的ECC算法差分功耗攻击方法;并进行了相应的攻击实验,对两种旁路攻击实验结果进行了比较分析,表明未加防护的ECC算法不能防御旁路攻击。同时实验结果显示,相对于对称密码算法,ECC密码算法攻击的难度较大。     

AES能量攻击的建模与分析

在CMOS工艺实现的数字电路中,瞬时能量消耗很大程度上取决于当前时刻处理数据的中间结果。基于这一原理对加密设备实施的能量分析（PA）攻击能有效地破解密钥。本文针对高级加密标准（AES）建立了电路模型,从理论上用不同的统计方法在仿真平台上验证了差分能量分析（DPA）和相关能量分析（CPA）对AES攻击的可行性,在此基础上给出了一种低成本的抗能量攻击方法。     

Side-channel countermeasures utilizing dynamic logic reconfiguration: Protecting AES/Rijndael and Serpent encryption in hardware

Dynamic logic reconfiguration is a concept that allows for efficient on-the-fly modifications of combinational circuit behavior in both ASIC and FPGA devices. The reconfiguration of Boolean functions is achieved by modification of their generators (e.g., shift register-based look-up tables) and it can be controlled from within the chip, without the necessity of any external intervention. This hardware polymorphism can be utilized for the implementation of side-channel attack countermeasures, as demonstrated by Sasdrich et al. for the lightweight cipher PRESENT.In this work, we adapt these countermeasures to two of the AES finalists, namely Rijndael and Serpent. Just like PRESENT, both Rijndael and Serpent are block ciphers based on a substitution–permutation network. We describe the countermeasures and adjustments necessary to protect these ciphers using the resources available in modern Xilinx FPGAs. We describe our implementations and evaluate the side-channel leakage and effectiveness of different countermeasures combinations using a methodology based on Welch’s t-test. Furthermore, we attempt to break the protected AES/Rijndael implementation using second-order DPA/CPA attacks.We did not detect any significant first-order leakage from the fully protected versions of our implementations. Using one million power traces, we detect second-order leakage from Serpent encryption, while AES encryption second-order leakage is barely detectable. We show that the countermeasures proposed by Sasdrich et al.are, with some modifications, successfully applicable to AES and Serpent.     

Deep learning side-channel attack against hardware implementations of AES

In the field of image recognition, machine learning technologies, especially deep learning, have been rapidly advancing alongside the advances of hardware such as GPUs. In image recognition, in general, large numbers of labeled images to be identified are input to a neural network, and repeatedly learning the images enables the neural network to identify objects with high accuracy. A new profiling side-channel attack method, the deep learning side-channel attack (DL-SCA), utilizes the neural network’s high identifying ability to unveil a cryptographic module’s secret key from side-channel information. In DL-SCAs, the neural network is trained with power waveforms captured from a target cryptographic module, and the trained network extracts the leaky part that depends on the secret. However, at this stage, the main target of investigation has been software implementation, and studies regarding hardware implementation, such as ASIC, are somewhat lacking. In this paper, we first depict deep learning techniques, profiling side-channel attacks, and leak models to clarify the relation between secret and side channels. Next, we investigate the use of DL-SCA against hardware implementations of AES and discuss the problem derived from the Hamming distance model and ShiftRow operation of AES. To solve the problem, we propose a new network training method called “mixed model dataset based on round-round XORed value.” We prove that our proposal solves the problem and gives the attack capability to neural networks. We also compare the attack performance and characteristics of DL-SCA to conventional analysis methods such as correlation power analysis and conventional template attack. In our experiment, a dedicated ASIC chip for side-channel analysis is utilized and the chip is also equipped with a side-channel countermeasure AES. We show how DL-SCA can recover secret keys against the side-channel countermeasure circuit. Our results demonstrate that DL-SCA can be a more powerful option against side-channel countermeasure implementations than conventional SCAs.     

AES加密算法分析及其在信息安全中的应用

随着现代密码分析水平、芯片处理能力的不断提高,高级加密标准AES算法将在各行业广泛应用。该文章介绍了AES加密算法的发展以及实现过程,并探讨其在信息安全方面的应用。     

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。     

一种基于寄存器翻转时刻随机化的抗DPA攻击技术

在密码算法电路中寄存器翻转时刻随机化对芯片抗DPA(differential power analysis)攻击能力有很大影响,因此提出了一种基于寄存器翻转时刻随机化的抗DPA攻击技术,其核心是利用不同频率时钟相位差的变化实现电路中关键寄存器翻转时刻的随机变化.针对跨时钟域的数据和控制信号,提出了需要满足的时序约束条件的计算方法,同时还分析了不同时钟频率对寄存器翻转时刻随机化程度的影响.以AES密码算法协处理器为例,实现了所提出的寄存器翻转时刻随机化技术,通过实验模拟的方法验证了理论分析的正确性.实验结果显示,在合理选择电路工作时钟频率的情况下,所提出的技术能够有效提高密码算法电路的抗DPA攻击性能.