智能卡差分能量分析实验平台实现与数据优化

随着密码学和密码芯片的广泛应用,针对密码芯片的攻击也日益增多.差分能量分析（Differential Power Analysis,DPA）攻击是最常见的一种侧信道攻击方法.DPA攻击者无须了解加密算法的具体细节,而只通过密码设备的能量迹分析即可破解出设备的密钥.因此,研究DPA攻击十分必要.实现了智能卡DPA实验系统,并对于此系统的能量迹测量数据进行优化处理,从而更有利于针对此类攻击的分析和相应防御措施的设计.     

分组密码DPA汉明重量区分函数选择方法

为了解决分组密码差分能量分析攻击(DPA)汉明重量区分函数选择问题,提出了一种基于相对非线性度的选择方法.该方法利用分组密码算法S盒输出相对非线性度与DPA之间的关系,通过比较相对非线性度的大小来选择汉明重量区分函数.通过仿真验证和实测验证,证明采用该方法能够正确地选择攻击效果较好的汉明重量区分函数.     

Whirlpool的一种改进算法

利用已有的分组密码算法构造Hash函数,其中最具代表性的是Whirlpool算法,由于该算法的分组长度与输出长度相同,所以效率是AES-128算法的1/2。文中借鉴分组密码AES-256的密钥扩展思想,提出一种Whirlpool的消息扩展改进方案,同时增加分组迭代的轮数。改进方案在不降低原算法的安全性基础上,效率则提高到了约为原来的1.4倍。     

改进的减轮Kiasu-BC算法的中间相遇攻击

Kiasu-BC算法是加密认证竞赛CAESAR第一轮入选方案Kiasu的内置可调分组密码。Kiasu-BC算法是基于AES-128轮函数构造的可调分组密码算法，通过对Kiasu-BC算法的结构特征进行研究，利用调柄自由度以及内部密钥间的制约关系，降低预计算的复杂度。结合差分枚举技术，构造新的5轮中间相遇区分器，改进Kiasu-BC算法的8轮中间相遇攻击。改进后攻击的时间复杂度为2¹¹⁴，存储复杂度为2⁶³，数据复杂度为2¹⁰⁸。     

针对AES-128算法的密钥优势模板攻击

模板攻击分为模板刻画和密钥恢复两个阶段.针对AES-128算法,模板攻击为每一字节密钥构建256个模板,当攻击者仅获得1000条左右的能量迹时将面临两个问题：一是模板刻画不具有适用性,二是无法恢复正确的密钥.针对这些问题,本文在模板刻画阶段为S盒输出值的汉明重量构建9个模板,利用Panda 2018数据集提供的600条能量迹进行建模;在密钥恢复阶段提出密钥优势叠加的方法,仅需约10条相同密钥加密所产生的能量迹即可有效区分正确密钥,降低了攻击的难度并提高了攻击的成功率.     

Cobra-H64/128算法的相关密钥-差分攻击

本文研究了Cobra-H64/128分组密码算法在相关密钥-差分攻击下的安全性.针对Cobra-H64算法,利用新构造的相关密钥-差分路径和CP逆变换存在的信息泄露规律给出攻击算法1,恢复出了全部128bit密钥,相应的计算复杂度为2^40.5次Cobra-H64算法加密,数据复杂度为2^40.5个选择明文,存储复杂度为2^22bit,成功率约为1;针对Cobra-H128算法,利用新构造的相关密钥-差分路径给出攻击算法2,恢复出了全部256bit密钥,相应的计算复杂度为2^76次Cobra-H128算法加密,数据复杂度为2^76个选择明文,存储复杂度为2^16.2bit.分析结果表明,Cobra-H64/128算法在相关密钥-差分攻击条件下是不安全的.     

AC分组密码

本文推出了一个分组长度和密钥长度均为128bit的分组密码－－AC（acipher），它的整体结构是SP网络，加解密是相似的。AC分组密码的设计结合了宽轨迹策略和比特块技术，以确保算法对差分密码分析和线性密码分析的安全性。本文的目的是寻求公众对AC分组密码的测试、分析和评估。     

智能卡RSA算法DPA的攻击与防御

智能卡在执行算法过程中会泄露一些能耗信息,采用差分能量分析(DPA)利用这些信息可以分析出加密的密钥,其危害远大于传统的数学分析手段.本文对算法级DPA攻击RSA算法方法和已有的算法级防止DPA攻击方法进行了研究,并在此基础上提出一种三重掩盖法来全面防御针对RSA算法的DPA攻击,且进行了仿真,效果明显.     

CIKS-128分组算法的相关密钥-差分攻击

分析研究了CIKS-128分组密码算法在相关密钥-差分攻击下的安全性.利用DDP结构和非线性函数的差分信息泄漏规律构造了一条高概率相关密钥-差分特征,并给出攻击算法,恢复出了192bit密钥;在此基础上,对剩余64bit密钥进行穷举攻击,恢复出了算法的全部256bit密钥.攻击所需的计算复杂度为2⁷⁷次CIKS-128算法加密,数据复杂度为2⁷⁷个相关密钥-选择明文,存储复杂度为2^25.4字节存储空间.分析结果表明,CIKS-128算法在相关密钥-差分攻击条件下是不安全的.     

Eagle-128算法的相关密钥-矩形攻击

该文利用高次DDO(Data Dependent Operations)结构的差分重量平衡性和SPN结构的高概率差分对构造了Eagle-128分组密码算法的两条5轮相关密钥-差分特征,通过连接两条5轮特征构造了完全轮相关密钥-矩形区分器,并对算法进行了相关密钥-矩形攻击,恢复出了Eagle-128算法的64 bit密钥。攻击所需的数据复杂度为281.5个相关密钥-选择明文,计算复杂度为2106.7次Eagle-128算法加密,存储复杂度为250 Byte存储空间,成功率约为0.954。分析结果表明,Eagle-128算法在相关密钥-矩形攻击条件下的有效密钥长度为192 bit。     

一种结合离散混沌映射和Feistel网络的分组加密算法

论文提出了一种新颖的结合一维离散混沌映射与Feistel网络结构的分组密码算法(CFCEA)。分组长度为64 bit,密钥长度为128bit,并使用了一个128bit长的辅助密钥。在轮函数中用Logistic混沌映射和3个代数群算子进行混合运算,此外还特别设计了子密钥生成算法。对CFCEA的密码学特性进行了分析,结果表明该算法具有严格的雪崩效应,扩散性能和扰乱性能理想。并且算法在64bit分组长度下差分概率和线性概率的理论上界分别近似为2-52.92和2-49.206,具备抵抗一定强度的差分和线性密码分析的能力。     

改进的减轮MIBS-80密码的中间相遇攻击

MIBS密码算法是一个Feistel结构的轻量级分组密码,广泛适用于资源严格受限的环境。该文利用多重集和有效的差分枚举方法,构造了8轮MIBS中间相遇区分器,并在新区分器的基础上,实现了12轮和13轮MIBS-80密码的中间相遇攻击。攻击过程利用差分传递的性质筛选明文对,利用MIBS-80密钥扩展算法中主密钥和轮密钥的关系减少密钥的猜测量,攻击12轮MIBS-80的时间复杂度为253.2,攻击13轮MIBS-80的时间复杂度为262。与已有中间相遇攻击的结果相比,该文对MIBS-80中间相遇攻击的轮数提高了2轮。     

基于循环密文的格密码模板攻击方法

该文分析了格密码解封装过程存在的能量泄露，针对消息解码操作提出一种基于模板与密文循环特性的消息恢复方法，该方法采用汉明重量模型与归一化类间方差(NICV)方法对解码字节的中间更新状态构建模板，并利用密文循环特性构造特殊密文，结合算法运算过程中产生的能量泄露，实现了对格密码中秘密消息和共享密钥的恢复。该文以Saber算法及其变体为例对提出的攻击方法在ChipWhisperer平台上进行了验证，结果表明，该攻击方法可以成功还原封装阶段的秘密消息和共享密钥，在预处理阶段仅需900条能量迹即可完成对模板的构建，共需要32条能量迹完成秘密消息的恢复。在未增加信噪比(SNR)条件下，消息恢复成功率达到66.7%，而在合适信噪比条件下，消息恢复成功率达到98.43%。     

基于卡方统计量的多差分攻击方法

为了精确地估计分组密码算法抵抗差分攻击的能力,在已知多个具有高概率差分特征的条件下,提出了基于卡方统计量的多差分攻击方法.分析了正确密钥和错误密钥对应的统计量的分布规律,给出了多差分攻击方法的成功率、数据复杂度和计算复杂度的关系.在分组密码算法的差分特征概率未知的条件下,该方法仍然是适用的.     

FOX算法的差分故障攻击

FOX算法是用于欧洲有线电视的分组密码算法,该算法整体采用Lai-Massey结构,其中的圈函数使用SPS结构。FOX算法的设计结构比较典型,实际应用的范围很广,目前对于该算法的分析却并不多见。研究了FOX算法对于差分故障攻击的安全性。提出一种采用面向字节的随机故障模型,并结合差分分析技术的攻击方法。结果显示,差分故障攻击对于FOX算法是有效的;实验结果也验证了这一事实。该攻击方法恢复出全部密钥信息平均需要128个错误密文,计算穷举量为O（215）。     

智能卡抗DPA的硬件解决方案研究

智能卡在执行算法过程中泄露功耗信息。差分功耗分析（DPA）者利用这些信息就可以分析出加密的密钥,其危害远大于传统的数学分析手段。目前有很多软件的手段来防止差分功耗分析,但这些方法相对比较复杂。本文针对硬件层次的几种防差分功耗分析的方法进行了分析研究。     

可重构分组密码指令集处理器自动映射方法研究

计算资源与寄存器资源分配是可重构处理器自动并行映射的重要问题,该文针对可重构分组密码指令集处理器的资源分配问题,建立算子调度参数模型和处理器资源参数模型,研究了分组密码并行调度与资源消耗之间的约束关系;在此基础上提出基于贪婪思维、列表调度和线性扫描的自动映射算法,实现了分组密码在可重构分组密码指令集处理器上的自动映射。通过可用资源变化实验验证算法并行映射的有效性,并对AES-128算法的映射效果做了横向对比验证算法的先进性,所提自动映射算法对分组密码在可重构处理中的并行计算研究有一定的指导意义。     

可重构分组密码指令集处理器自动映射方法研究

计算资源与寄存器资源分配是可重构处理器自动并行映射的重要问题,该文针对可重构分组密码指令集处理器的资源分配问题,建立算子调度参数模型和处理器资源参数模型,研究了分组密码并行调度与资源消耗之间的约束关系;在此基础上提出基于贪婪思维、列表调度和线性扫描的自动映射算法,实现了分组密码在可重构分组密码指令集处理器上的自动映射.通过可用资源变化实验验证算法并行映射的有效性,并对AES-128算法的映射效果做了横向对比验证算法的先进性,所提自动映射算法对分组密码在可重构处理中的并行计算研究有一定的指导意义.     

面向分组密码的可重构异构多核并行处理架构

现有的可重构分组密码实现结构中,专用指令处理器吞吐率不高,阵列结构资源利用率低、算法映射过程复杂.为此,设计了分组密码可重构异构多核并行处理架构RAMCA（Reconfigurable Asymmetrical Multi-Core Architecture）,分析了典型SP（AES-128）、Feistel（SMS4）、L-M（IDEA）及MISTY（KASUMI）结构算法在RAMCA上的映射过程.在65nm CMOS工艺下完成了逻辑综合和功能仿真.实验表明,RAMCA工作频率可达到1GHz,面积约为1.13mm²,消除工艺影响后,对各分组密码算法的运算速度均高于现有专用指令处理器以及Celator、RCPA和BCORE等阵列结构密码处理系统.     

AES加密算法的原理与设计实现

2001年11月，NIST确定新的加密算法Rijndael为高级加密标准（AES），以取代安全性已经不能满足需要的的原数据加密标准（DES）。AES属于对称分组密码，可用128、192、256位密钥对128位的分组明文明文行加解密。本文在分析其算法结构和性能特点的基础上，作出了具体的设计实现。