抗功耗分析攻擊橢圓曲線密碼處理器及關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)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(zhǎng)度更短，因此更加適用于RFID、手機(jī)等計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、硬件資源受限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。另一方面，針對(duì)密碼設(shè)備的攻擊方法層出不窮。功耗分析攻擊是一種利用密碼設(shè)備運(yùn)行時(shí)泄露的功耗信息，對(duì)密鑰進(jìn)行破譯的新興攻擊方法。對(duì)ECC密碼設(shè)備構(gòu)

2、成了巨大的威脅。本論文針對(duì)抗功耗分析攻擊ECC算法、硬件電路實(shí)現(xiàn)和真隨機(jī)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(shè)計(jì)目標(biāo)，開展以下關(guān)鍵技術(shù)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(tái)。研究了二進(jìn)制域Montgomery隨機(jī)射影坐標(biāo)點(diǎn)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(jī)串行模乘算法，以消除零值坐標(biāo)對(duì)模乘功耗的影

3、響。分別對(duì)雙域中橢圓曲線隨機(jī)點(diǎn)的產(chǎn)生進(jìn)行了研究分析，并且給出了一種改進(jìn)的判斷Jacobi符號(hào)的二進(jìn)制算法。
　　為了滿足抗功耗攻擊ECC算法中隨機(jī)序列的高隨機(jī)性要求，開展低成本高質(zhì)量真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器研究。提出了一種能夠增強(qiáng)抖動(dòng)的新型四邊形環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，研究了電路器件參數(shù)對(duì)隨機(jī)性的影響。為了增強(qiáng)隨機(jī)序列的均勻性，基于一種新的擴(kuò)散算法設(shè)計(jì)了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的數(shù)字后處理單元。并且在NIST SP800-22標(biāo)準(zhǔn)和Diehard標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)隨機(jī)數(shù)

4、芯片產(chǎn)生的隨機(jī)序列進(jìn)行測(cè)試，所產(chǎn)生的隨機(jī)序列滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　針對(duì)RFID、智能卡等低成本應(yīng)用，在二進(jìn)制域開展抗功耗攻擊ECC密碼處理器研究。采用Montgomery隨機(jī)射影坐標(biāo)點(diǎn)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(jìn)一步擴(kuò)展為隨機(jī)MSD模乘算法，設(shè)計(jì)了隨機(jī)模乘的電路結(jié)構(gòu)。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種隨機(jī)模運(yùn)算單元，能夠支持模加、模乘、模平方運(yùn)算。給出了一種坐

5、標(biāo)交換方法，有效的減少了點(diǎn)乘算法控制復(fù)雜度和迭代計(jì)算時(shí)間。采用一種新的模逆方法，減少了計(jì)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(jié)構(gòu)，有效的減少寄存器單元的面積。測(cè)試和分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的二進(jìn)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(duì)多種ECC標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算單元的關(guān)鍵路徑延遲，提高計(jì)算速度，本論文提出了一種改

6、進(jìn)的Radix-4迭代模乘算法。采用CSA加法器和CPA加法器相結(jié)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(yùn)算單元結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)二倍模、四倍模運(yùn)算單元以及模除算法的關(guān)鍵電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上提出了一種高效的雙域模算術(shù)邏輯單元MALU架構(gòu)。為了設(shè)計(jì)的靈活性，本論文采用軟硬件相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了專門的指令集，通過參數(shù)配置指令、模運(yùn)算指令以及優(yōu)化的點(diǎn)操作指令，可以實(shí)現(xiàn)不同的點(diǎn)乘算法以及ECC協(xié)議。實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證了一種隨機(jī)點(diǎn)