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.     

基于能耗旁路泄露的密码芯片模板攻击算法研究

为解决模板攻击对先验知识要求较为苛刻的问题,基于聚类的半监督式模板攻击方法,研究了能耗泄露曲线特征点的选择,提出了基于皮尔逊相关系数和主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)方法对旁路泄露进行特征提取的方法.在聚类过程中,通过少量的有标号的信息来辅助并引导聚类过程对无标号数据的聚类处理,放宽了模板攻击的假设条件.以轻量级分组密码(Light Encryption Device,LED)算法旁路泄露为例,通过实验研究了特征选取等因素对密钥恢复的影响,并分析了能量迹中的数据依赖性.研究结果表明:与常规半监督式模板攻击方法相比,所采用的特征提取方法可以有效降低异常数据和噪声的干扰,提高先验信息的利用率及密钥恢复成功率.     

基于流形学习能量数据预处理的模板攻击优化方法

能量数据作为模板攻击过程中的关键对象,具有维度高、有效维度少、不对齐的特点,在进行有效的预处理之前,模板攻击难以奏效。针对能量数据的特性,该文提出一种基于流形学习思想进行整体对齐的方法,以保留能量数据的变化特征,随后通过线性投影的方法降低数据的维度。使用该方法在Panda 2018 challenge1标准数据集进行了验证,实验结果表明,该方法的特征提取效果优于传统的PCA和LDA方法,能大幅度提高模板攻击的成功率。最后采用模板攻击恢复密钥,仅使用两条能量迹密钥恢复成功率即可达到80%以上。     

基于汉明重的LED代数旁路攻击研究

对CHES 2011会议提出的LED轻型分组密码抗代数旁路攻击能力进行了评估。给出了密码算法代数旁路攻击模型及LED密码代数方程表示方法;利用示波器采集微控制器ATMEGA324P上的LED实现功耗泄露,选取功耗特征较为明显的部分泄露点,基于 Pearson 相关系数方法推断加密中间状态汉明重;分别基于可满足性问题、伪布尔优化问题、线性编程问题给出了LED密码和汉明重泄露的3种代数方程表示方法;使用CryptoMinisat和SCIP 2种解析器对建立的代数方程求解恢复密钥,在已知明文、未知明密文、容错等场景下进行了大量的攻击实验。结果表明,LED易遭受代数旁路攻击,一条功耗曲线的1轮汉明重泄露分析即可恢复64 bit完整密钥。     

一种针对密钥的单比特电磁模板攻击方法

旁路信息泄露是安全设备面临的一种严重威胁,通过检测包括电磁在内的任何一种旁路,都可能提取密钥信息。提出一种通过被动的监视和利用数据加密标准(DES)密码芯片的电磁泄漏来获取密钥的单比特电磁模板攻击方法。该方法与传统的模板攻击相比有三点显著的不同:一是直接以密钥为攻击目标而不是密钥的算法置换;二是为单比特建立模板而不是多个比特;三是不需要已知明文或密文。针对DES加密方案的实验结果确认了这种方法在密码分析中的有效性。     

基于密钥编排故障的SMS4算法的差分故障分析

提出并讨论了一种针对SMS4密钥编排方案的差分故障攻击方法.该方法采用面向字节的随机故障模型,通过在SMS4算法的密钥编排方案中导入故障,仅需要8个错误密文即可恢复SMS4算法的128bit原始密钥.数学分析和实验结果表明,该方法不仅扩展了故障诱导的攻击范围,而且提高了故障诱导的攻击成功率,减少了错误密文数,为故障攻击其他分组密码提供了一种通用的分析手段.     

新的抵抗鬼峰的关联矩阵差分能量分析

差分能量分析（DPA）是对芯片中分组密码实现安全性的最主要威胁之一，当采集的能量迹不足时，DPA容易受到错误密钥产生的差分均值影响产生鬼峰。基于DPA，提出了一种可以有效抵抗鬼峰的关联矩阵差分能量分析（IMDPA）。通过构造预测差分均值矩阵，利用猜测密钥在非泄露区间的弱相关性，避免非泄露区间对泄露区间内密钥猜测的影响。对IMDPA在AES-128算法的不同泄露区间进行了实验验证，结果表明，与传统的DPA相比，IMDPA需要更少（达到85%）的能量迹来猜测正确的密钥。同时IMDPA在实施防护措施下的AES-128的密钥猜测效率仍然存在显著的优势。为了进一步验证IMDPA在分组密码中的通用性，在SM4算法上进行了实验验证，与传统的DPA相比，IMDPA需要更少（达到87.5%）的能量迹来猜测正确的密钥。     

Rijndael密码的逆序Square攻击

2000年10月Rijnael被选为高级加密标准(AES),目前对它最有效攻击仍是由设计者提出的Square攻击。Square攻击是利用密码Square特性提出的选择明文攻击,可以对六轮和六轮以下的Rijndael密码进行成功的攻击,攻击六轮Rijndael的所有密钥的计算量为2272+264,五轮密码的复杂度为3240+232。该文提出了逆序Square攻击算法,该算法是基于密码Square特性提出的选择密文攻击方法。它攻出六轮Rijndael密码的所有密钥的复杂度为272+256,五轮密码的复杂度为240+224。若改变密钥扩散准则中的圈循环顺序,五轮密码的逆序Square攻击复杂度由240降为232,六轮的攻击复杂度由272降为264。     

WEP2中IV用小端法计数器产生时的攻击方法

在WEP2密码协议中未规定IV的具体产生方法,而计数器方式是实践中常用的IV产生方式之一.当IV用小端法计数器方式产生时,本文提出了一种通过观察网络中传输的特殊形式的密文帧,第一步恢复WEP2中秘密密钥的第二、第三个字节的值,第二步恢复秘密密钥第一个字节的值,两步共计24比特秘密密钥值的攻击方法.在此基础上再使用IV Weakness攻击,可恢复WEP2的全部128比特秘密密钥.文中给出了此时这种攻击方法的具体步骤、原理及仿真结果.     

密码算法旁路立方攻击改进与应用

立方攻击的预处理阶段复杂度随输出比特代数次数的增长呈指数级增长,寻找有效立方集合的难度也随之增加。该文对立方攻击中预处理阶段的算法做了改进,在立方集合搜索时,由随机搜索变为带目标的搜索,设计了一个新的目标搜索优化算法,优化了预处理阶段的计算复杂度,进而使离线阶段时间复杂度显著降低。将改进的立方攻击结合旁路方法应用在MIBS分组密码算法上,从旁路攻击的角度分析MIBS的算法特点,在第3轮选择了泄露位置,建立关于初始密钥和输出比特的超定的线性方程组,可以直接恢复33 bit密钥,利用二次检测恢复6 bit密钥。所需选择明文量221.64,时间复杂度225。该结果较现有结果有较大改进,恢复的密钥数增多,在线阶段的时间复杂度降低。     

PRESENT密码代数故障攻击

提出了一种新的PRESENT密码故障分析方法——代数故障攻击。将代数攻击和故障攻击相结合,首先利用代数攻击方法建立密码算法等效布尔代数方程组;然后通过故障攻击手段获取错误密文信息,并将故障差分和密文差分转化为额外的布尔代数方程组;最后使用CryptoMiniSAT解析器求解方程组恢复密钥。结果表明:在PRESENT-80的第29轮注入宽度为4的故障,故障位置和值未知时,2次故障注入可在50s内恢复64bit后期白化密钥,将PRESENT-80密钥搜索空间降低为216,经1min暴力破解恢复完整主密钥;和现有PRESENT故障攻击相比,该攻击所需样本量是最小的;此外该代数故障分析方法也可为其他分组密码故障分析提供一定思路。     

密码产品的侧信道分析与评估

作为一类重要的信息安全产品,密码产品中所使用的密码技术保障了信息的保密性、完整性和不可抵赖性。而侧信道攻击是针对密码产品的一类重要的安全威胁,它主要利用了密码算法运算过程中侧信息(如时间、功耗等)的泄露,通过分析侧信息与秘密信息的依赖关系进行攻击。对密码产品的抗侧信道攻击能力进行评估已成为密码测评的重要内容。该文从攻击性测试、通用评估以及形式化验证3个角度介绍了目前密码产品抗侧信道评估的发展情况。其中攻击性测试是目前密码侧信道测评所采用的最主要的评估方式,它通过执行具体的攻击流程来恢复密钥等秘密信息。后两种方式不以恢复秘密信息等为目的,而是侧重于评估密码实现是否存在侧信息泄露。与攻击性测试相比,它们无需评估人员深入了解具体的攻击流程和实现细节,因此通用性更强。通用评估是以统计测试、信息熵计算等方式去刻画信息泄露的程度,如目前被广泛采用的测试向量泄露评估(TVLA)技术。利用形式化方法对侧信道防护策略有效性进行评估是一个新的发展方向,其优势是可以自动化/半自动化地评估密码实现是否存在侧信道攻击弱点。该文介绍了目前针对软件掩码、硬件掩码、故障防护等不同防护策略的形式化验证最新成果,主要包括基于程序验证、类型推导及模型计数等不同方法。     

循环移位对Rijndael密码安全性的影响

目前针对新一轮高级加密标准(AES)Rijndael密码的最有效攻击算法仍是由设计者提出的Square攻击。文献[1]中指出Square攻击是一种选择明文攻击，攻击强度不依赖于S盒、列混合矩阵和密钥扩散准则的选取。本文提出的逆序Square攻击算法是一种选择密文攻击方法，对5、6轮的Rjjndael密码的攻击优于Square攻击，对RD-256的攻击较原算法复杂度降低2^3，Square攻击对RD-192的攻击优于逆序攻击。如果改变密码循环移位的方向或密钥扩展算法中的循环移位方向则逆序攻击对5、6轮RD-128的攻击复杂度较Square攻击降低2^8，对7轮RD-192的攻击优于Square攻击，而在许多文献中将改变后的行移位方向默认为原算法移位的方向。     

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。     

MD-64算法的相关密钥-矩形攻击

该文针对MD-64分组密码算法在相关密钥-矩形攻击下的安全性进行了研究。分析了算法中高次DDO (Data Dependent Operations)结构、SPN结构在输入差分重量为1时的差分转移规律,利用高次DDO结构的差分特性和SPN结构重量为1的差分路径构造了算法的两条相关密钥-差分路径,通过连接两条路径构造了算法的完全轮的相关密钥-矩形区分器,并对算法进行了相关密钥-矩形攻击,恢复出了32 bit密钥。攻击算法所需的数据复杂度为262相关密钥-选择明文,计算复杂度为291.6次MD-64算法加密,存储复杂度为266.6 Byte存储空间,成功率约为0.961。分析结果表明,MD-64算法在相关密钥-矩形攻击条件下的安全性无法达到设计目标。     

SHACAL-2算法的差分故障攻击

该文采用面向字的随机故障模型,结合差分分析技术,评估了SHACAL-2算法对差分故障攻击的安全性。结果显示:SHACAL-2算法对差分故障攻击是不免疫的。恢复出32 bit子密钥的平均复杂度为8个错误密文,完全恢复出512 bit密钥的复杂度为128个错误密文。     

基于微控制器的AES激光注入攻击研究

密码设备面临故障攻击的威胁,针对密码芯片的故障攻击手段研究是密码学和硬件安全领域的重要研究方向.脉冲激光具有较好的时空分辨性,是一种准确度较高的故障攻击手段.该文详细描述了激光注入攻击的原理和方法,以集成AES-128算法的微控制器(MCU)为例实施了激光注入攻击实验.实验以微控制器的SRAM为攻击目标,分别成功实现了差分故障攻击和子密钥编排攻击,恢复了其16 Byte的完整密钥,其中后一种攻击是目前首次以激光的手段实现.研究表明,激光注入攻击能准确定位关键数据存放的物理位置,并能在任意的操作中引入错误,实现单比特的数据翻转,满足故障攻击模型的需求.激光注入攻击能在较短时间内完成自动攻击和密文收集,攻击过程贴近真实场景,对密码芯片具有极大的威胁.     

基于微控制器的AES激光注入攻击研究

密码设备面临故障攻击的威胁,针对密码芯片的故障攻击手段研究是密码学和硬件安全领域的重要研究方向。脉冲激光具有较好的时空分辨性,是一种准确度较高的故障攻击手段。该文详细描述了激光注入攻击的原理和方法,以集成AES-128算法的微控制器(MCU)为例实施了激光注入攻击实验。实验以微控制器的SRAM为攻击目标,分别成功实现了差分故障攻击和子密钥编排攻击,恢复了其16 Byte的完整密钥,其中后一种攻击是目前首次以激光的手段实现。研究表明,激光注入攻击能准确定位关键数据存放的物理位置,并能在任意的操作中引入错误,实现单比特的数据翻转,满足故障攻击模型的需求。激光注入攻击能在较短时间内完成自动攻击和密文收集,攻击过程贴近真实场景,对密码芯片具有极大的威胁。     

基于FPGA平台的Piccolo功耗分析安全性评估

为了评估Piccolo密码算法的功耗分析安全性,该文提出一种针对Piccolo末轮的攻击模型,基于SASEBO (Side-channel Attack Standard Evaluation BOard)实测功耗数据对该算法进行了相关性功耗分析攻击。针对Piccolo末轮运算中包含白化密钥的特点,将末轮攻击密钥(包括轮密钥RK24L, RK24R, WK2, WK3)分成4段子密钥,逐个完成各个子密钥的攻击,使80位种子密钥的搜索空间从280降低到(2220+2212+216),使种子密钥的恢复成为可能。攻击结果表明,在实测功耗数据情况下,3000条功耗曲线即可恢复80位种子密钥,证实了该攻击模型的有效性和Piccolo硬件面向功耗分析的脆弱性,研究并采取切实有效的防护措施势在必行。     

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.