抗功耗分析攻擊橢圓曲線密碼處理器及關鍵技術研究.pdf

1、橢圓曲線密碼（Elliptic Curve Cryptography，ECC）算法是一種公鑰密碼算法，可應用于數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名以及密鑰管理。與RSA公鑰密碼算法相比，ECC密碼算法安全性更高、加密速度更快、密鑰長度更短，因此更加適用于RFID、手機等計算能力、存儲空間、硬件資源受限的物聯(lián)網(wǎng)應用。另一方面，針對密碼設備的攻擊方法層出不窮。功耗分析攻擊是一種利用密碼設備運行時泄露的功耗信息，對密鑰進行破譯的新興攻擊方法。對ECC密碼設備構

2、成了巨大的威脅。本論文針對抗功耗分析攻擊ECC算法、硬件電路實現(xiàn)和真隨機數(shù)發(fā)生器，圍繞安全性、低成本、高硬件效率以及靈活性等設計目標，開展以下關鍵技術研究：
　　面向ECC功耗攻擊安全性問題，分別研究了SPA、DPA、ZPA以及DA攻擊方法。自主搭建了一種基于FPGA的功耗分析攻擊平臺。研究了二進制域Montgomery隨機射影坐標點乘算法，分析發(fā)現(xiàn)其不能抵抗ZPA攻擊。因此提出了一種隨機串行模乘算法，以消除零值坐標對模乘功耗的影

3、響。分別對雙域中橢圓曲線隨機點的產(chǎn)生進行了研究分析，并且給出了一種改進的判斷Jacobi符號的二進制算法。
　　為了滿足抗功耗攻擊ECC算法中隨機序列的高隨機性要求，開展低成本高質量真隨機數(shù)發(fā)生器研究。提出了一種能夠增強抖動的新型四邊形環(huán)形振蕩器結構，研究了電路器件參數(shù)對隨機性的影響。為了增強隨機序列的均勻性，基于一種新的擴散算法設計了隨機數(shù)發(fā)生器的數(shù)字后處理單元。并且在NIST SP800-22標準和Diehard標準下對隨機數(shù)

4、芯片產(chǎn)生的隨機序列進行測試，所產(chǎn)生的隨機序列滿足測試標準要求。
　　針對RFID、智能卡等低成本應用，在二進制域開展抗功耗攻擊ECC密碼處理器研究。采用Montgomery隨機射影坐標點乘算法，能夠有效的抵抗SPA和DPA攻擊。由于其不能抵抗ZPA攻擊，采用了所提出的MSB串行模乘算法，并將其進一步擴展為隨機MSD模乘算法，設計了隨機模乘的電路結構。并在此基礎上設計了一種隨機模運算單元，能夠支持模加、模乘、模平方運算。給出了一種坐

5、標交換方法，有效的減少了點乘算法控制復雜度和迭代計算時間。采用一種新的模逆方法，減少了計算過程中的寄存器中間變量。優(yōu)化了循環(huán)移位寄存器單元的結構，有效的減少寄存器單元的面積。測試和分析結果表明，所設計的二進制域ECC密碼處理器能夠有效的抵抗SPA、DPA、ZPA、DA等功耗分析攻擊。
　　針對多種ECC標準的兼容性要求，開展高硬件效率雙域ECC密碼處理器研究。為了有效的減少模運算單元的關鍵路徑延遲，提高計算速度，本論文提出了一種改

6、進的Radix-4迭代模乘算法。采用CSA加法器和CPA加法器相結合的方式，給出了一種新穎的支持三操作數(shù)的模加減（MAS）運算單元結構。同時對二倍模、四倍模運算單元以及模除算法的關鍵電路進行了優(yōu)化設計。并在此基礎上提出了一種高效的雙域模算術邏輯單元MALU架構。為了設計的靈活性，本論文采用軟硬件相結合的方法，設計了專門的指令集，通過參數(shù)配置指令、模運算指令以及優(yōu)化的點操作指令，可以實現(xiàn)不同的點乘算法以及ECC協(xié)議。實現(xiàn)及驗證了一種隨機點