针对SM4算法的功耗模板-碰撞分析

分析发现在非平衡Feistel结构的SM4算法中,前后轮次的中间数据具有相关性.因此,通过内部碰撞原理并结合模板匹配的方法后,可用于恢复SM4算法轮子密钥,并给出了一种针对SM4算法的功耗模板-碰撞分析的侧信道方法.分析时选择特殊的明文采集功耗曲线,将算法加密过程中非平衡Feistel结构的右半部分的中间变量值(如S盒...     

SM4算法S盒输入的相关性能量攻击的研究

在对SM4算法非线性S盒运算输出进行侧信道能量攻击的基础上,针对SM4算法中线性S盒输入提出相关性能量攻击分析的方法。该方法结合相关性能量攻击原理,利用汉明距离能量泄露模型进行攻击,该模型能够更准确刻画假设能量消耗与实测能量消耗之间的关系。在利用此方法获取前四轮或末四轮轮密钥的基础上,推算出128 bit的原始加密密钥。实际攻击结果表明,通过攻击出前四轮轮密钥后,可以成功地推出原始加密密钥。该攻击方法对SM4算法S盒输入有效可行,同时也扩展了对SM4算法的侧信道能量攻击方法。     

针对SM4密码算法的多点联合能量分析攻击

目前针对SM4密码算法的能量分析攻击,均属于单点能量分析攻击.由于单点能量分析攻击没有利用密码算法及单条能量信号曲线中所有和密钥相关的信息,所以单点能量分析攻击存在攻击所需样本较多、攻击信息利用率低的问题.针对单点能量分析攻击存在的问题,提出了针对SM4密码算法的多点联合能量分析攻击方法,攻击时同时选择SM4密码算法中和密钥相关的多个信息泄露点,根据泄露点对应的中间变量和能量泄露模型,构造多点联合能量泄露函数,即多点联合能量分析攻击出SM4密码算法的密钥.实验不仅验证了本攻击方法的有效性,而且验证了本攻击方法相比单点能量分析攻击方法提高了能量分析攻击成功率,减少能量分析攻击的曲线条数,提高能量分析攻击效率.根据该新方法的特点,该新型攻击能量分析攻击方法还可以用于针对其他密码算法的能量分析攻击.     

抗侧信道攻击的SM4多路径乘法掩码方法

SM4是国内于2006年公布的第1个商用的分组密码算法。为提高SM4算法安全性,抵御功耗分析、电磁辐射等侧信道攻击,提出一种抗侧信道攻击的SM4多路径乘法掩码方法。该方法在轮函数中采用多条数据路径,并对引进随机数后的S盒用有限域乘法求逆变换加以改进,使中间结果与标准SM4算法的中间结果完全不同,从而掩盖SM4加密过程中的所有关键信息,增加侧信道分析的难度。实验结果表明,与标准SM4算法和普通的SM4乘法掩码算法相比,该方法在芯片的功耗和硬件资源增加不大的情况下,能有效消除中间数据所产生的能量消耗,增强算法安全性,可成功抵御各种侧信道攻击。     

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。     

基于智能卡实现的分组加密算法的功耗分析

针对基于智能卡硬件实现的SM4分组加密算法的物理泄露安全问题,提出了一种快速、高效的相关功耗分析方法,通过理论分析和实验研究,暴露了即使是理论上非常安全的SM4加密算法,在物理实现过程中也会泄露重要的敏感信息。首先,通过分析SM4算法的实现流程和加密特性,建立功耗分析的数学模型,并推导出解密流程和优化算法;其次,结合理论物理泄露点,搭建完整的智能卡硬件功耗分析实验系统,通过智能卡的功耗数据采集、分析、优化,研究真实智能卡的侧信道安全漏洞;最后,结合实验结果,进一步优化功耗分析,探讨嵌入式系统环境下的SM4算法安全性能。与Mifare DESFire MF3ICD40智能卡三重数据加密标准(3DES)算法侧信道分析相比,所提方法将功耗数据量从25万条降低到不足一千条,分析时间从7个多小时,减小到几分钟,并且完整地恢复了SM4的原始密钥,能有效提高硬件环境下的功耗分析效率,降低计算复杂度。     

一种带掩码AES算法的高阶差分功耗分析攻击方案

鉴于能量分析攻击对密码芯片安全性的严重威胁,对掩码技术进行研究,提出一种通过使用预处理函数对固定值掩码进行攻击的高阶差分功耗分析(HODPA)方案。利用功耗曲线上2个信息点的联合分布绕过掩码对加密系统的保护。开发以MEGA16单片机为核心的侧信道攻击平台,并在该平台上进行实验验证,结果表明,在不明确掩码具体数值的情况下,一阶DPA无法恢复出正确密钥,HODPA方案仅需约500条功耗曲线即可得到正确密钥,且正误密钥之间区分度高,具有较强的实用性。     

抵御侧信道分析的AES双路径掩码方法

为抵御功耗、电磁辐射等侧信道分析攻击,提出一种高级加密标准(AES)双路径掩码方法。采用2条数据路径,将随机数和随机S盒用于掩码操作,使一个加、解密轮次内的所有中间运算结果与AES算法的标准中间结果都不相同,且各中间结果的汉明重量随明文随机变化。实验结果表明,AES算法中间结果的汉明重量与该方法产生的能量特征之间的相关性被完全消除,可抵御各种侧信道分析攻击。     

针对SNOW3G流密码算法的侧信道分析

SNOW3G是由ETSI/SAGE于2006年基于SNOW2.0设计的流密码算法,已被3GPP采纳为国际加密标准,并在4G/5G移动通信中作为数据机密性算法和数据完整性算法的核心算法使用.已有大量研究工作证明了SNOW3G算法足以抵御传统的密码分析攻击,但很少有工作对该算法的具体实现进行分析,验证算法抵抗侧信道攻击的能力.本文以3GPP标准中SNOW3G的算法实现为研究对象,从侧信道的角度出发在单片机上研究该算法的安全性,提出了针对该算法的相关性能量攻击方法.首先,对SNOW3G的算法实现进行分析,找到算法中存在能量泄漏的操作,然后根据算法中密钥与该操作间的联系制定合理的攻击策略,最终恢复出算法的密钥.通过实验对提出的相关性能量攻击方法进行了验证,结果表明,在装有ATMega128A芯片的单片机上,利用该方法仅需使用2000条能量消耗曲线即可在1小时内完整恢复出算法的密钥.     

ECC抗功率分析攻击的等功耗编码算法

可以抵抗功率分析攻击的椭圆曲线密码算法往往效率较低。针对该问题,将等功耗编码的思想应用到椭圆曲线密码标量乘法运算过程中,通过消除标量乘运算中的功耗差异,掩盖相关密钥信息,达到抵抗功率分析攻击的目的。理论分析结果表明,与二元法抗功耗攻击算法和NAF窗口法抗功耗攻击算法相比,改进算法的执行效率较高。     

SM4算法门限掩码方案设计与实现

侧信道分析已严重威胁到密码算法应用安全,为提高SM4算法抵御侧信道分析的能力,提出一种门限掩码方案。首先,完成对SM4算法S盒的复合域分解;其次,基于二共享设计门限掩码方案,使用随机数将S盒输入进行二共享拆分,通过复合域运算和S盒门限掩码进行电路重构,并基于S盒复用降低硬件开销;最后进行线性层操作后将两个输出结果通过异或完成去掩码操作。对SM4算法门限掩码方案的FPGA实现仿真结果和安全性测试结果表明,本掩码方案能够有效抵抗CPA攻击,实现面积相对较低。     

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...     

信息熵角度下的深度学习旁路安全评估框架

基于深度学习的建模类旁路密码分析（Deep Learning Side Channel Analysis/Attack,DLSCA）对于各种旁路攻击场景的密码破解效果都十分显著,但是DLSCA仍存有安全评估问题。基于AES对称加密算法的能量分析,通过信息熵角度分析准确率等传统机器学习性能指标无法评估DLSCA深度神经网络（Deep Neural Network,DNN）模型训练程度的原因。定义密钥信息量,分别阐释密钥信息量与旁路安全评估、DNN模型训练阶段性能评估的关系,建立深度学习模型与旁路分析二者的联系,提出以密钥信息量为核心的DLSCA安全评估框架。     

An on-chip signal suppression countermeasure to power analysis attacks

There are several attacks that exploit the presence of side channels in hardware implementations of cryptographic algorithms to extract secret data. Differential power analysis (DPA) and simple power analysis (SPA) attacks sense the power consumption of the hardware to extract the secret cryptographic key. These attacks either directly examine the power traces or carry out statistical operations on the power traces obtained from the hardware while executing the cryptographic algorithm. This paper presents a circuit that can be added to crypto-hardware to suppress information leakage through the power supply pin side channel. We discuss the design, simulation results and the limitations of the suppression circuit. We show that this countermeasure significantly increases the number of power trace samples required to undertake a DPA attack. The countermeasure does not require any assumptions about the design of the hardware under protection.     

面向计时攻击的形式化分析

旁路攻击方法从密码算法在密码设备上实现时所泄漏出来的旁路物理信号入手进行分析,从中萃取出密码 系统的秘密信息甚至密钥,开辟了与传统密码分析方法迥然不同的新方向。采用等价关系和等价类划分的方法对旁 路攻击中计时攻击进行形式化定性分析,结合信息嫡度量方式对计时攻击者能力进行定量评价,通过对面向RSA二 进制模幂运算进行计时攻击的形式化分析实例表明,形式化分析计时攻击过程的手段使得攻击过程更为直观、确切, 为其它的旁路攻击方法的形式化描述提供了有价值的参考。     

对一种白盒SM4方案的差分计算分析

传统密码算法的安全性建立在黑盒攻击模型下. 在这种攻击模型下, 攻击者只能获取密码算法的输入输出, 而无法得知密码算法运行时的内部细节. 近年来白盒攻击模型的概念被提出. 在白盒攻击模型下, 攻击者既可以获取密码算法的输入输出, 也可以直接观测或更改密码算法运行时的内部数据. 为保证已有密码算法在白盒攻击环境下的安全性, 在不改变其功能的基础上通过白盒密码技术对其进行重新设计被称为已有密码算法的白盒实现. 研究白盒实现方案的设计与分析对于解决数字版权管理问题具有重要意义. 近年来, 出现了一类针对白盒实现方案的旁信道分析方法. 这类分析手段只需要知道很少白盒实现方案的内部细节, 却可以提取到密钥, 因此是一类对现有白盒实现方案具有实际威胁的分析手段. 对现有白盒实现方案进行此类分析对于确保方案安全性具有重要现实意义. 此类分析方法中的典型代表是基于差分功耗分析原理的差分计算分析. 基于差分计算分析, 对白-武白盒SM4方案进行了安全性分析. 基于对GF(2)上n阶均匀随机可逆矩阵统计特征的研究结果, 提出了一种改进型差分计算分析(IDCA), 可以在分析成功率几乎不变的前提下显著提升分析效率. 结果表明, 白-武白盒SM4方案在面对差分计算分析时不能保证安全性, 必须对其进行进一步改进使之满足实际应用场景下的安全性需求.     

ARIA分组密码相关性功耗分析

功耗攻击已对密码算法实现的物理安全性构成严重威胁,对其攻击和防御的研究是近年来旁路攻击的热点问题。研究了ARIA韩国国家分组密码的相关功耗分析攻击方法。阐述了ARIA密码算法,给出了密码算法功耗泄露模型及相关性分析的原理,结合ARIA算法给出了相关功耗分析的具体方法,并通过仿真实验验证了攻击的有效性。结果表明,ARIA密码中的非线性S盒查表操作功耗泄露使其易遭受相关功耗分析攻击;仿真环境下10个样本的采集和分析即可恢复ARIA主密钥。