功耗分析攻擊研究及抗功耗分析攻擊密碼芯片設計.pdf

1、密碼模塊部分是信息安全系統(tǒng)的關鍵部件，其安全性的高低直接關乎整個信息系統(tǒng)的安全。21世紀以前的大部分時間，對密碼模塊的攻擊主要集中在數(shù)學分析上，主要是是以線性攻擊和差分攻擊為代表的傳統(tǒng)密碼分析方法，通過利用密碼算法的統(tǒng)計特性，通過分析所選擇的明密文對來獲取密鑰。這類攻擊一般需要獲取和處理巨量的數(shù)據(jù)，實際中并不總是可行的。于是有人開始分析用另外的思路，對實際工作的密碼芯片進行攻擊，考慮到密碼芯片實際工作中總會釋放一些物理信息，比如芯片工作

2、時的電流、電壓、電磁信息，以及與這些信息有關的時間信息，通過分析這些外漏的物理信息來對芯片進行攻擊，這就是旁道攻擊(Side Channel Attack，SCA)。
　　 從21世紀開始，功耗分析攻擊成了一個針對實現(xiàn)的密碼芯片進行旁道攻擊的主要方法.它主要分為三種：簡單功耗分析攻擊、差分功耗分析攻擊、相關性功耗分析攻擊，簡單功耗攻擊(Simple Power Analysis Attack，SPA)利用加密操作過程中的密鑰位與

3、芯片實際功耗之間的關系直接從實際測量的功耗曲線獲取密鑰信息。差分功耗分析攻擊(Differential Power Analysis Attack，DPA)是通過對大量明文或密文和功耗曲線的的統(tǒng)計分析來獲取密鑰信息.相關性功耗分析攻擊(Correlation Power AnalysisAttack，CPA)是通過事先預設一個預測模型，用其進行密碼運算，得出預測的功耗信息，然后用實際的芯片進行運算，實際的功耗與預測的功耗進行相關性對比分

4、析，從而推測出芯片的實際工作密鑰。
　　 功耗分析理論的出現(xiàn)給密碼芯片帶來了很大的安全性問題，許多文獻給出了對實際密碼芯片成功進行功耗攻擊的實例。本文主要對幾種主要的密碼算法進行功耗分析研究.研究的目的，一是對密碼算法進行研究，找出其實現(xiàn)過程中易受功耗攻擊的原因；二是為了芯片設計時增加相應地防御措施以增強其抵御功耗分析攻擊的能力。本文主要有如下貢獻和創(chuàng)新點：
　　 功耗分析平臺設計與實現(xiàn)：為了對抗功耗攻擊，密碼算法在實現(xiàn)

5、過程中就必須考慮抗功耗攻擊的問題，因此需要一個芯片流片前評估其抗功耗分析攻擊能力的平臺。為此，本文通過將PC應用程序和FPGA硬件相結(jié)合設計了一種功耗分析評估平臺。
　　 基于高性能FPGA設計實現(xiàn)的功耗分析平臺，不僅可以實現(xiàn)對單獨的密碼算法模塊進行功耗分析實驗，而且還可以對設計的整個芯片進行抗功耗分析能力評估。功耗分析平臺的實現(xiàn)不僅為密碼算法功耗分析的研究提供了一個實踐平臺，而且為密碼芯片的抗功耗分析能力提供了評價平臺。

6、>　　 RSA算法功耗分析研究和抗功耗分析攻擊的USB KEY芯片設計：USB Key里面常用的的公鑰算法RSA易受功耗分析攻擊的困擾。本文首先針對RSA算法進行了研究，通過分析知道RSA模塊易受功耗分析攻擊的原因是其算法中模冪運算實現(xiàn)的方式造成的.其模冪運算實現(xiàn)的基本方式是利用平方-乘積算法原理來實現(xiàn)，這種實現(xiàn)方式使得RSA運算時產(chǎn)生的功耗與運算密鑰的每一個比特位密切相關，攻擊者通過采集其工作時泄露的功耗信息進行分析，從而導致密鑰被

7、解析，因此安全性受到很大的威脅。為抵御SPA和DPA的攻擊，本文提出了在模冪算法實現(xiàn)方式上增加隨機偽操作數(shù)和應用隨機混合模冪的防御算法。然后利用該算法在FPGA上實現(xiàn)了RSA模塊并通過了仿真驗證。最后在FPGA上實現(xiàn)了USB Key的全部設計，并圍繞該FPGA搭建了功耗分析測試硬件平臺，利用該平臺進行功耗攻擊實驗。通過對基于LR模冪算法的DPA攻擊和基于固定的混合模冪算法的DPA攻擊，本文驗證了上述模冪實現(xiàn)方式確實容易被DPA攻擊。最后

8、對本文提出的基于增加隨機偽操作數(shù)和應用隨機混合模冪的防御算法進行DPA攻擊，攻擊結(jié)果表明，該防御算法可以有效地防御MESD攻擊。
　　 AES算法功耗分析研究和抗功耗分析攻擊的高速密碼協(xié)處理器設計：為了設計具有抗功耗分析能力的AES算法模塊，首先研究了AES的基本原理以及算法流程，研究了其易受功耗攻擊的原因，以及相應的攻擊算法。然后提出了增加掩碼覆蓋的防御方案。完成了抗功耗分析的AES密碼模塊設計，考慮到安全性和可實現(xiàn)性的平衡，