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后量子密码算法的侧信道攻击与防御综述

软件学报 2021年第4期32卷 1165-1185页

作者：吴伟彬刘哲杨昊张吉鹏南京航空航天大学计算机科学与技术学院江苏南京211106

为了解决量子计算对公钥密码安全的威胁,后量子密码成为密码领域的前沿焦点研究问题.后量子密码通过数学理论保证了算法的安全性,但在具体实现和应用中易受侧信道攻击,这严重威胁到后量子密码的安全性.基于美国NIST第2轮候选算法和中国C... 详细信息

为了解决量子计算对公钥密码安全的威胁,后量子密码成为密码领域的前沿焦点研究问题.后量子密码通过数学理论保证了算法的安全性,但在具体实现和应用中易受侧信道攻击,这严重威胁到后量子密码的安全性.基于美国NIST第2轮候选算法和中国CACR公钥密码竞赛第2轮的候选算法,针对基于格、基于编码、基于哈希、基于多变量等多种后量子密码算法进行分类调研,分析其抗侧信道攻击的安全性现状和现有防护策略.为了深入分析后量子密码的侧信道攻击方法,按照算法核心算子和攻击类型进行分类,总结了针对各类后量子密码常用的攻击手段、攻击点及攻击评价指标.进一步地,根据攻击类型和攻击点,梳理了现有防护策略及相应的开销代价.最后,根据攻击方法、防护手段和防护代价提出了一些安全建议,并且还分析了未来潜在的侧信道攻击手段与防御方案.

关键词：后量子密码侧信道攻击故障攻击能量分析攻击时间攻击

基于随机加法链的高级加密标准抗侧信道攻击对策

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电子与信息学报 2019年第2期41卷 348-354页

作者：黄海冯新新刘红雨厚娇赵玉迎尹莉莉姜久兴哈尔滨理工大学软件与微电子学院哈尔滨150080 哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院哈尔滨150080 哈尔滨理工大学理学院哈尔滨150080

侧信道攻击已经对高级加密标准(AES)的硬件安全造成严重威胁,如何抵御侧信道攻击成为目前亟待解决的问题。字节替换操作作为AES算法中唯一的非线性操作,提高其安全性对整个加密算法有重要意义。该文提出一种基于随机加法链的AES抗侧信... 详细信息

侧信道攻击已经对高级加密标准(AES)的硬件安全造成严重威胁,如何抵御侧信道攻击成为目前亟待解决的问题。字节替换操作作为AES算法中唯一的非线性操作,提高其安全性对整个加密算法有重要意义。该文提出一种基于随机加法链的AES抗侧信道攻击对策,该对策用随机加法链代替之前固定的加法链来实现有限域GF(28)上的乘法求逆操作,在此基础上研究随机加法链对算法安全性和有效性方面的影响。实验表明,所提随机加法链算法比之前固定的加法链算法在抵御侧信道攻击上更加安全、有效。

关键词：高级加密标准侧信道攻击字节替换加法链

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基于多源数据聚合的神经网络侧信道攻击

计算机研究与发展 2024年第1期61卷 261-270页

作者：张润莲潘兆轩李金林武小年韦永壮密码学与信息安全重点实验室(桂林电子科技大学) 广西桂林541004

基于深度学习的侧信道攻击需要针对密码算法的每一个密钥字节建模并训练,数据采集和模型训练开销大.针对该问题,提出一种基于多源数据聚合的神经网络侧信道攻击方法.为筛选具有良好泛化效果的密钥字节泄露数据进行数据聚合,以AES-128算... 详细信息

基于深度学习的侧信道攻击需要针对密码算法的每一个密钥字节建模并训练,数据采集和模型训练开销大.针对该问题,提出一种基于多源数据聚合的神经网络侧信道攻击方法.为筛选具有良好泛化效果的密钥字节泄露数据进行数据聚合,以AES-128算法为例,先基于16个密钥字节的泄露数据训练16个单密钥字节模型,分别实现对16个密钥字节的恢复;其次,设计一种打分机制评估各单密钥字节模型的泛化效果,通过得分排序筛选出对各密钥字节恢复效果最好的单密钥字节模型;最后,以筛选模型所对应的各密钥字节泄露数据集构建多源数据聚合模型进行训练,实现密钥恢复.实验测试结果表明,多源数据聚合模型具有良好的泛化效果,有效提高了密钥恢复的准确率和效率,降低了恢复密钥所需的能量迹数量,其在采集能量迹较少的情况下依然具有较好的攻击效果.

关键词：侧信道攻击神经网络打分机制数据聚合数据标签

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一种侧信道攻击Rainbow签名的算法

电子科技大学学报 2018年第6期47卷 895-900页

作者：易海博深圳职业技术学院计算机工程学院广东深圳518055

Rainbow是一种数字签名方案,它基于多元多项式结构构造,属于多变量密码体系。相比现有的签名方案,如RSA和ECC方案,Rainbow的特点是能够抵御量子计算机攻击,被认为是下一代签名方案的重要候选。基于Rainbow的重要性,该文对Rainbow的硬件... 详细信息

Rainbow是一种数字签名方案,它基于多元多项式结构构造,属于多变量密码体系。相比现有的签名方案,如RSA和ECC方案,Rainbow的特点是能够抵御量子计算机攻击,被认为是下一代签名方案的重要候选。基于Rainbow的重要性,该文对Rainbow的硬件安全进行了分析,提出了一种基于差分能量分析和故障分析的侧信道分析算法,将Rainbow作为目标,实施侧信道攻击。实现了Rainbow签名电路,并进行功耗采集,对采集的2 000条功耗曲线进行分析和计算,获取了Rainbow所有的密钥。

关键词：差分能量分析故障分析多变量公钥密码 Rainbow签名侧信道攻击

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抗侧信道攻击的服务功能链部署方法

电子与信息学报 2019年第11期41卷 2699-2707页

作者：伊鹏谢记超张震谷允捷赵丹国家数字交换系统工程技术研究中心

侧信道攻击是当前云计算环境下多租户间信息泄露的主要途径,针对现有服务功能链(SFC)部署方法未充分考虑多租户环境下虚拟网络功能(VNF)面临的侧信道攻击问题,该文提出一种抗侧信道攻击的服务功能链部署方法。引入基于时间均值的租户分... 详细信息

侧信道攻击是当前云计算环境下多租户间信息泄露的主要途径,针对现有服务功能链(SFC)部署方法未充分考虑多租户环境下虚拟网络功能(VNF)面临的侧信道攻击问题,该文提出一种抗侧信道攻击的服务功能链部署方法。引入基于时间均值的租户分类策略以及结合历史信息的部署策略,在满足服务功能链资源约束条件下,以最小化租户所能覆盖的服务器数量为目标建立相应的优化模型,并设计了基于贪婪选择的部署算法。实验结果表明,与其他部署方法相比,该方法显著提高了恶意租户实现共存的难度与代价,降低了租户面临的侧信道攻击风险。

关键词：侧信道攻击服务功能链部署方法租户分类历史部署信息

云环境中跨虚拟机的Cache侧信道攻击技术研究

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计算机学报 2017年第2期40卷 317-336页

作者：梁鑫桂小林戴慧珺张晨西安交通大学电子与信息工程学院西安710049 陕西省计算机网络重点实验室(西安交通大学) 西安710049

在云计算环境中,不同租户的虚拟机可能运行于同一台物理主机之上,即虚拟机同驻.同驻的虚拟机之间共享物理主机的计算资源,并依赖于虚拟机监控器进行系统资源的分配与调度.这种跨域共享虽然提高了资源使用效率,但也给用户的隐私安全造成... 详细信息

在云计算环境中,不同租户的虚拟机可能运行于同一台物理主机之上,即虚拟机同驻.同驻的虚拟机之间共享物理主机的计算资源,并依赖于虚拟机监控器进行系统资源的分配与调度.这种跨域共享虽然提高了资源使用效率,但也给用户的隐私安全造成严重威胁.恶意租户通过探测共享资源的状态信息,建立泄漏模型,便可绕过虚拟化提供的隔离性,窃取其它同驻虚拟机的隐私信息,这种攻击模式通常称为跨虚拟机的侧信道攻击.文中深入分析了跨虚拟机Cache侧信道攻击的机理和实现方式,对跨虚拟机Cache侧信道攻击技术的研究现状与进展进行总结.首先,分析总结了Cache侧信道信息泄露的本质原因;其次,回顾了跨虚拟机Cache侧信道攻击的起源与研究进展,讨论了其与传统Cache侧信道攻击的关系,并提出跨虚拟机访问驱动Cache侧信道攻击的通用模型;然后,分类归纳并重点阐述了虚拟机同驻相关问题以及当前用于跨虚拟机Cache侧信道信息探测的主流方法;最后,分析了目前研究中存在的问题,并展望了未来的研究方向.

关键词：云计算缓存侧信道攻击虚拟机同驻虚拟化

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侧信道攻击通用框架设计及应用

信息网络安全 2017年第5期 57-62页

作者：王庆屠晨阳沈嘉荟中国信息安全测评中心北京100085 中国科学院信息工程研究所北京100093

目前,密码算法、模块、设备在设计生产时都增加了评估侧信道风险这一过程。侧信道攻击的对象主要分为无保护的密码算法/模块和有保护的密码算法/模块两大类,如果针对每种攻击对象单独设计攻击方案是费时费力的,所以,基于实际侧信道攻击... 详细信息

目前,密码算法、模块、设备在设计生产时都增加了评估侧信道风险这一过程。侧信道攻击的对象主要分为无保护的密码算法/模块和有保护的密码算法/模块两大类,如果针对每种攻击对象单独设计攻击方案是费时费力的,所以,基于实际侧信道攻击基础理论,结合经典侧信道分析思路,文章提出一种通用型分析框架涵盖所有攻击流程。文章将实际侧信道攻击分为3个递进的步骤,分别是侧信道逻辑漏洞评估、侧信道信息采集以及侧信道分析优化,详细阐述各步骤的实现方法,并利用该框架对改进的低熵掩码与指令乱序的双重方案对被保护的软件进行攻击测试。实验结果表明该框架具备合理性和有效性,能应对绝大多数侧信道攻击。

关键词：密码算法密码设备侧信道风险评估侧信道攻击通用型分析框架

SCVerify:抗功耗侧信道攻击软件实现的验证

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计算机科学与探索 2021年第6期15卷 1074-1083页

作者：张俊中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 上海科技大学信息科学与技术学院上海201210 中国科学院大学北京100049

功耗侧信道攻击,通过使用统计分析技术推断出加密算法中的密钥,已成为物理网络设备的一个巨大威胁。随机掩码是一种被广泛使用的用来消除密钥数据和侧信道泄露数据之间关联性的对策。尽管现有技术可以验证加密软件代码是否被随机掩码保... 详细信息

功耗侧信道攻击,通过使用统计分析技术推断出加密算法中的密钥,已成为物理网络设备的一个巨大威胁。随机掩码是一种被广泛使用的用来消除密钥数据和侧信道泄露数据之间关联性的对策。尽管现有技术可以验证加密软件代码是否被随机掩码保护,但是它们在准确性和可扩展性方面受到限制。为消除此类限制,提出了一种基于原有技术改进过的验证随机掩码策略的方法,该方法比已有的基于句法类型的推断技术更准确,比使用SAT(SMT)模型计数的方法更具有可扩展性。实际上,该方法使用一系列语义类型推导规则去推导分布类型,这些规则最初保持抽象以允许快速推导,然后具体化那些抽象规则推导解决不了的验证问题。此类细化方法集成在验证工具SCVerify中,并使用包含AES和MAC-Keccak等加密算法的测试用例进行了验证,实验结果表明此方法在准确性和可扩展性方面明显优于当前的技术。

关键词：侧信道攻击可满足性模理论(SMT) 软件验证类型推导形式化验证

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基于降噪自编码器的侧信道攻击预处理方法

密码学报（中英文） 2024年第2期11卷 416-426页

作者：朱肖城郑世慧杨春丽北京邮电大学网络空间安全学院北京100876 国家邮政局邮政业安全中心北京100091

侧信道分析在硬件安全评估中起着至关重要的作用,而降噪预处理可以去除数据曲线包含的部分噪声,提高攻击成功率.然而,当数据中噪声繁杂且期望预处理前后数据规模不减少时,常规的降噪方式效果较差甚至无效.本文基于卷积神经网络设计了一... 详细信息

侧信道分析在硬件安全评估中起着至关重要的作用,而降噪预处理可以去除数据曲线包含的部分噪声,提高攻击成功率.然而,当数据中噪声繁杂且期望预处理前后数据规模不减少时,常规的降噪方式效果较差甚至无效.本文基于卷积神经网络设计了一种优化的降噪自编码器.首先,对第一轮加密的字节代换操作具有相同输出的数据曲线做均值滤波处理,并根据字节代换的输出构造对应的自编码器模型标签,最大化地提取出纯净数据.其次,在计算标签与预测值的损失函数中添加L2正则化惩罚项,防止过拟合以及加速训练.本文对公开的DPAContestV2、DPAContestV4.1和ASCAD数据集进行降噪预处理及侧信道攻击.实验结果表明,处理后的数据相比原始数据信噪比分别提高3.53、3.14、3.86倍,皮尔逊相关系数分别提高1.94、1.37、1.04倍.在攻击阶段,不进行降噪预处理时V2、V4.1、ASCAD数据集分别需要1175、4、191条测试轨迹破译密钥.而使用本文方法降噪后成功攻击所需轨迹数量分别降低为440、1、41条.因此,本文的降噪自编码器网络可以大幅度降低信号中包含的噪声,并显著提高了攻击性能.

关键词：卷积神经网络降噪自编码器降噪预处理侧信道攻击