抗边信道攻击的快速并行标量乘法

在椭圆曲线密码体制里面,标量乘法是一个非常重要的运算,它的性能对整个密码体制的效率有着举足轻重的作用。论文首先提出一个快速窗口算法用以实现标量乘法,此算法利用了NAF表示的窗口算法和边信道原子块(side channel atomicity)方法,所以算法有效,快速而且可以边信道攻击。在此基础上提出了一个并行算法,它对于边信道攻击是安全的,高效的。     

一种AVR环境下KLEIN分组密码抗计时和缓存边信道攻击的快速保护方法

随着物联网应用的广泛兴起,轻量级分组密码算法在资源受限环境下的应用前景得到了广泛关注。在物联网应用中,攻击者往往采用边界信道的方式对相应设备进行密钥恢复攻击。在RFIDSec 2011会议上,Gong等人提出了一种新的适用于物联网资源环境下软件实现的轻量级分组密码算法KLEIN[1]。从AVR微处理器的特点出发,基于AVR汇编语言给出了KLEIN分组加密算法的bitslicing实现。在实现过程中,分别基于读取和存储操作进行相应的优化,降低了算法在MixNibbles步骤中的计算复杂度,从而使得KLEIN算法能通过bitslicing方式对计时(Ti-ming)和缓存(Cache)边信道攻击方式进行防御。从AVR平台的实际试验结果来看,优化后的KLEIN算法的bitslicing实现在AVR微处理器平台上具有实用性。     

防范边信道攻击的逆伪操作实现算法

针对模幂运算的二元表示(BR)算法在防范边信道攻击方面存在的问题,以消除运算单元之间的功耗差异为目的,提出模幂运算的逆伪操作算法。通过对基本BR算法和逆伪操作算法的实测功耗轨迹对比和对逆伪操作算法防范边信道攻击分析,证明逆伪操作运算已达到消除运算单元之间功耗差异的预期目标。     

真实环境下对幂剩余指数的SDPA攻击

介绍边信道攻击的概念和研究背景,研究幂剩余算法及BR算法从右至左的实现过程,指出在实际应用中,使用简单能量分析对幂剩余算法进行攻击时,攻击者需要了解算法的具体运算过程,同时还需具备一定经验,否则不易找到能量消耗曲线与指数信息之间的准确对应关系,且用户稍加防范即可使攻击失效。提出一种简单差分能量分析攻击方法,可以更容易地得到指数信息,并使实验结果更准确。通过真实环境下的实验,进一步证实了该方法的可行性和正确性。     

抗边信道攻击的高效多基标量乘算法

为提高椭圆曲线密码算法的安全性和效率, 在现有的边信道攻击和标量乘算法的基础上,提出了一种新的多基标量乘算法。通过引入随机数和基点掩码技术来隐藏算法的相关边信道信息,从而增强算法的安全性;同时,结合快速的半点运算和多基表示标量,提高算法的运行效率。经安全性分析,该算法能较好地抵抗多种边信道攻击。实际实验结果也表明,在美国国家标准技术研究所(NIST)推荐的椭圆曲线NIST B-163、NIST B-233和NIST B-283上,当预计算点个数分别为2和5时,新算法比Purohit算法效率提高了36%和42%,比赖忠喜等(赖忠喜,张占军,陶东娅.椭圆曲线中直接计算7P的方法及其应用[J].计算机应用,2013,33(7):1870-1874.)所提的算法效率提高了8%和11%。该算法可应用到智能卡等存储资源受限的领域中,使其对敏感数据加解密更安全、更高效。     

基于 Reed-Solomon 编码的抗边信道攻击云数据安全去重方法

跨用户数据去重技术, 通过在用户端减少重复数据上传来提高云端数据存储效率和用户的带宽使用效率。然而, 在数据上传过程中, 云服务商反馈给用户的确定性去重响应为攻击者建立了一个极具安全风险的边信道, 攻击者利用该边信道可推断出目标数据在云端的存在性隐私。现有的抗边信道攻击跨用户去重方法, 采用各种混淆策略试图扰乱攻击者的判断, 然而, 这些方法难以实现完全混淆, 攻击者仍然可通过字典攻击、附加块攻击等方式达到数据窃取的目的。目前, 如何防止攻击者利用边信道窃取数据的存在性隐私, 成为了跨用户数据去重技术亟待解决的重要问题。为应对这一挑战, 本文采用了一种基于广义去重的新型跨用户安全去重框架, 将原始数据从字节层面分解为基和偏移量, 对基进行跨用户去重, 并对偏移量进行云端去重。特别地, 本文采用 Reed-Solomon 纠删码编码思想实现基的提取, 使得从相似的数据中可以较高概率提取出相同的基。不仅可以实现对攻击者的混淆, 还可以有效节省通信开销和云端存储开销。此外, 为了进一步提高效率, 本文在偏移量上传前, 引入数据压缩算法, 减少偏移量间的冗余数据量。实验结果表明, 在实现有效抵抗边信道攻击的前提下, 本方法相比该领域最新工作在通信和存储效率等方面具有显著优势。     

uBlock算法的低代价门限实现侧信道防护方法

在传统的基于黑盒模型的密码分析中,攻击者仅可以利用密码算法的输入输出信息进行攻击,现有密码算法在黑盒模型下的安全性已经得到较为充分的论证.但是在灰盒模型下,攻击者的能力得到提高,其不仅可以获取密码算法的输入输出信息,还可以获得密码算法实际执行过程中泄露的功耗、电磁、光等物理信息,这些物理信息和密码算法的中间状态具有相关性,敌手可以利用这种相关性进行秘密信息的恢复,这种攻击被称为侧信道攻击.侧信道攻击自提出以来,由于其相对低的实现代价以及较高的攻击效率对于密码算法的实现安全性造成了严重的威胁.u Block算法是2019年全国密码算法设计竞赛分组密码一等奖获奖算法,同样受到了侧信道攻击的威胁.目前针对u Block算法的研究较少,在硬件实现方面主要考虑低延迟高吞吐量的实现,缺乏针对资源受限情况下的低代价优化实现,不利于侧信道防护方案的构造.目前公开的文献中指出其S盒适用于基于门限实现的侧信道防护方案构造,存在3-share的无需新随机数的门限防护方案,但是没有给出具体的实现方案.针对这样的现状,本文首先基于流水线和串行化的思想设计并实现了一种适用于u Block算法的低代价硬件实现方案;...     

一种针对分组密码S盒的组合侧信道攻击方法*

近年来随着半导体工艺的飞速发展和信息安全的重要性不断增强,越来越多的硬件嵌入了密码算法以保证数据安全性。针对嵌入了FPGA密码芯片的设备在运行算法时泄漏的侧信道信息进行了研究,提出一种改进分组密码S盒的组合侧信道攻击方案,该方案由差分功耗攻击、模板攻击、和毛刺攻击构成。通过传统的差分功耗攻击确定S盒运行的时间区间,然后针对目标S盒的输入输出利用一个时钟周期内逻辑门毛刺个数与部分功耗线性相关的方法,采用线性模型匹配算法恢复密钥并减少了基于多元高斯模型匹配的计算量,为今后提高侧信道攻击的效率提供依据。     

针对AES的基于时间的缓存攻击

基于时间的缓存攻击是指通过分析处理器中算法的不同执行时间来恢复密钥的攻击。该文分析针对AES的时间驱动缓存攻击,给出一种改进的攻击,它可以应用于大多数的AES实现软件。在PentiumⅢ, OpenSSL v.0.9.8.(a)和Miracl环境下的实验发现,只需要224个时间信息就可以恢复出密钥,少于原攻击的228个时间信息数据。给出抵抗这种攻击的对策。     

侧信道攻击与防御技术研究进展

侧信道攻击利用密码实现的物理泄露而不是理论弱点来恢复密钥，对密码系统的安全实现有严重的现实威胁.密码设备运行时所产生的能量、电磁、缓存和故障输出等侧信息均可能导致密钥信息泄漏，攻击者通过分析侧信息中与密钥相关的特征点来获取密钥信息.为了应对侧信道攻击，侧信道防御技术和抗泄漏密码学也成为研究的热点问题.前者的总体思路在于消除侧信息泄漏或者消除秘密信息与所泄漏侧信息之间的相关性，而后者旨在准确量化密码系统执行过程中的侧信息泄漏，进而构造具有抗泄漏安全性的密码方案.本文系统地介绍了侧信道攻击与防御技术发展：首先，剖析了时序攻击、能量分析攻击、缓存攻击和故障攻击的基本原理、攻击方法、应用场景和发展现状，并提炼出每一类攻击的通用模型；其次，概括出侧信道防御技术的本质特征，并分析了侧信道防御技术的基本原理、安全模型和应用场景；之后总结了抗泄漏密码学的基本原理与发展现状，梳理了典型的抗泄漏密码方案；最后分析了现有研究工作中存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望.     

一种抗侧信道攻击的随机功耗方法

针对RSA密码算法的实现电路有多种攻击方法。功耗平衡技术常用来抵抗侧信道攻击。为了解决抗侧信道攻击算法中开销大的问题。通过混淆比特位为0运算单元之间的功耗,提出一种随机功耗方法来抵抗侧信道攻击。通过对该方法的分析,证明该随机功耗算法能够实现抗计时攻击和能量攻击的目的,功耗能够减少30%左右,且不降低方案的安全性。     

支持属性撤销且抗泄漏的密文策略属性基加密

针对边信道攻击引起密码系统秘密信息泄漏问题,提出抗密钥泄漏且支持属性撤销的密文策略的属性基加密方案。提出的方案具有完全安全性。基于双系统加密技术,给出的方案在标准模型下是可证安全的。该方案不仅可以抵抗私钥的泄漏而且也可以抵抗主密钥的泄漏。此外,给出的方案通过密钥的有效更新还可以抵抗密钥的持续泄漏。     

侧信道多层感知器攻击中基于贝叶斯优化的超参数寻优

传统侧信道攻击利用加密设备泄露的物理信息来获取密钥,由于其需要大量人为干预,越来越多研究将机器学习算法运用到侧信道攻击中,其中神经网络攻击效果最好,而多层感知器又是神经网络的基础,其中超参数在很大程度上影响最终训练与攻击结果.为实现超参数自动寻优,将贝叶斯寻优的方法应用在侧信道多层感知器攻击中,并提出对离散值的处理方法,发展出能够结合超参数经验的侧信道多层感知器超参数寻优方法.实验对比了人工寻优与贝叶斯寻优两种算法用于侧信道多层感知器攻击中的效率,验证了多层感知器与侧信道攻击相结合及贝叶斯寻优的可行性和高效性.     

数字水印信道分类及其信道容量分析

在数字水印理论模型研究过程中，将数字水印系统看作一种通信系统，将信道的概念引入数字水印系统，形成数字水印信道，通过对水印信道容量的研究来指导数字水印系统中嵌入算法及攻击算法的设计。基于带边信息的水印信道模型，根据水印编码方和水印译码方是否知道水印的边信息(即信道状态信息)，该文将数字水印信道归纳为4类：编译码双方都不知道边信息的水印信道，仅编码方知道边信息的水印信道，编码方和译码双方都知道边信息的水印信道，仅译码方知道边信息的水印信道。对相应的水印信道容量进行了分类讨论，结果证明，这一类含水印强度因子的水印信道容量是水印强度因子的单调函数。     

后量子密码算法的侧信道攻击与防御综述

为解决量子计算对公钥密码安全的威胁,后量子密码成为密码领域的前沿焦点研究问题.后量子密码通过数学理论保证了算法安全性,但在具体实现和应用中易受侧信道攻击,这严重威胁到后量子密码的安全性.本文基于美国NIST第二轮候选算法和中国CACR公钥密码竞赛第二轮的候选算法,针对基于格、基于编码、基于哈希、基于多变量等多种后量子密码算法进行分类调研,分析其抗侧信道攻击的安全性现状和现有防护策略.为了深入分析后量子密码的侧信道攻击方法,按照算法核心算子和攻击类型进行分类,总结了针对各类后量子密码常用的攻击手段、攻击点及攻击评价指标.进一步,根据攻击类型和攻击点,梳理了现有防护策略及相应的开销代价.最后我们在总结部分,根据攻击方法、防护手段和防护代价提出了一些安全建议,并且还分析了未来潜在的侧信道攻击手段与防御方案.     

轻量级分组密码算法DoT的模板攻击

模板攻击是一种重要的侧信道分析方法,其在实际密码算法破译中具有较强的区分能力。轻量级分组密码算法DoT在硬件和软件实现中都表现出优秀的性能,尽管目前针对DoT算法的传统数学攻击已经取得了一定效果,但是该算法在具体实现中是否足以抵御侧信道攻击仍有待研究。基于DoT算法结构及其S盒特点,提出一种针对DoT算法的模板攻击方法。基于汉明重量模型来刻画加密算法运行时的能耗特征,将S盒输出值的具体分布作为中间状态值构造区分器,从而进行密钥恢复。测试结果表明,该模板攻击仅需6组明文就可恢复出8 bit密钥信息,DoT密码算法在该模板攻击下具有脆弱性。     

可信执行环境软件侧信道攻击研究综述

为保护计算设备中安全敏感程序运行环境的安全,研究人员提出了可信执行环境(TEE)技术,通过对硬件和软件进行隔离为安全敏感程序提供一个与通用计算环境隔离的安全运行环境.侧信道攻击从传统的需要昂贵设备发展到现在仅基于微体系结构状态就能通过软件方式获取机密信息的访问模式,从而进一步推测出机密信息.TEE架构仅提供隔离机制,无法抵抗这类新出现的软件侧信道攻击.深入调研了ARM TrustZone、Intel SGX和AMD SEV这3种TEE架构的软件侧信道攻击及相应防御措施,并探讨其攻击和防御机制的发展趋势.首先,介绍了ARM TrustZone、Intel SGX和AMD SEV的基本原理,并详细阐述了软件侧信道攻击的定义以及缓存侧信道攻击的分类、方法和步骤;之后从处理器指令执行的角度,提出一种TEE攻击面分类方法,利用该方法对TEE软件侧信道攻击进行分类,并阐述了软件侧信道攻击与其他攻击相结合的组合攻击;然后详细讨论TEE软件侧信道攻击的威胁模型;最后全面总结业界对TEE软件侧信道攻击的防御措施,并从攻击和防御两方面探讨TEE软件侧信道攻击未来的研究趋势.     

缓存侧信道防御研究综述

微架构侧信道攻击(microarchitectural side channel attack)是一种利用处理器微架构状态开展侧信道攻击的方式.它打破了操作系统及其他软件层面提供的隔离手段,严重威胁了用户的信息安全,受到了学术界的广泛关注.与其他传统侧信道攻击不同,微架构侧信道攻击不需要攻击者与被攻击对象存在物理接触,也不需要复杂的分析设备,它只需要能够与受害者在同一环境中执行代码就可以完成攻击.基于缓存的侧信道攻击(cache-based side channel attack)利用处理器中广泛存在的缓存(cache)结构,所以这种攻击方式最有吸引力,研究也最为深入.首先总结了微架构侧信道攻击尤其是缓存侧信道攻击相关的硬件架构,之后从攻击者能力、攻击步骤以及攻击目标对攻击模型进行讨论,并根据攻击模型对现有的防御措施进行分类和比较,重点介绍了新型安全缓存架构及其设计方案,最后讨论了现有防御措施面临的挑战以及未来的研究方向.     

平稳与平衡--椭圆曲线密码体制抗旁信道攻击的策略与手段

旁信道攻击方法（side channel attack）通过对密码系统的一些特殊信息的获取来进行分析与攻击．对于椭圆曲线密码体制,最主要的就是要使标量乘能够抵抗旁信道攻击方式,密码学界的研究者在这方面做了很多具体且细致的工作,从各个不同的角度提出了很多新的算法与方案．综述了椭圆曲线密码体制上抗旁信道攻击的进展情况,以“平稳”与“平衡”作为两条线索,讨论了椭圆曲线密码系统上抗旁信道攻击的各种策略和方案,指出了它们各自的优劣以及适用范围,并在最后探讨了该领域未来研究和发展方向．     

一种抗侧信道攻击椭圆曲线标量乘算法的设计与实现

有限域 上点乘运算是影响椭圆曲线密码实现效率的关键运算之一。为提高椭圆曲线密码算法计算的安全性和效率性,从分析固定基点梳形算法（Fixed-base Comb算法）的特点出发,在现有的边信道攻击和标量乘算法的基础上,提出了一种新的标量乘算法——DF-Comb（Distance Fixed-base Comb）算法。新的算法对私钥（ ）重新设计编码、分组计算,在预计算阶段和赋值阶段进行改进,能够极大地提高算法计算阶段的效率;此外,考虑到算法的抗侧信道攻击能力,通过引入乘数分解技术来隐藏算法中相关侧信道信息,引入一种同时多标量乘算法用来提高了抗侧道攻击力,从而增强算法的安全性。仿真实验结果显示,改进的DF-Comb算法算法可以在提高计算效率的同时降计算的存储量。经算法实验比较分析研究,表明该算法能较好地抵抗多种侧信道攻击。