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基于交换网络的抗侧信道攻击扩展指令集设计与实现

基于交换网络的抗侧信道攻击扩展指令集设计与实现

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作者：周佳运山东大学

学位级别：硕士

密码算法在物理设备上运行会产生与电路的固有属性相关的时间和功耗等侧信道信息。被数学理论证明安全的密码算法,在其设计中很少考虑到在物理设备中实际运行所产生的侧信道信息的泄露。同时这种侧信道信息的泄露很难全部消除。侧信道... 详细信息

密码算法在物理设备上运行会产生与电路的固有属性相关的时间和功耗等侧信道信息。被数学理论证明安全的密码算法,在其设计中很少考虑到在物理设备中实际运行所产生的侧信道信息的泄露。同时这种侧信道信息的泄露很难全部消除。侧信道攻击就是利用侧信道信息的泄露对密码设备进行攻击的一种分析方法。随着侧信道攻击技术的发展,侧信道攻击的防护对策逐渐成为越来越多密码工程相关人员的研究热点。洗牌技术(shuffling)是一种对抗侧信道攻击的时间随机化的防护对策。为了更有效的防护侧信道攻击,洗牌技术通常与掩码等侧信道防护对策相结合,一起来抵抗侧信道攻击。相比于单一的防护对策,这种相结合的防护方案能提供更好的侧信道防护。但由于在软件中实现洗牌必须多次访问待交换元素的内存地址以及检查交换位的值,洗牌技术的软件实现运行效率低下。本文设计并实现了由多轮洗牌组成的交换网络的扩展指令集来代替使用洗牌技术软件的实现方式来生成随机排列。本文设计的扩展指令集可以显著改善洗牌技术软件实现的效率低和代价高的问题。该扩展指令集侧重于使用交换网络生成随机排列,这是在微处理器中部署洗牌防护最困难的部分。本文在硬件中实现了交换网络,它由扩展指令集中的指令指定的不同轮数的洗牌组成,进而可以通过扩展指令集中的指令生成随机排列。本文设计的基于交换网络的扩展指令集兼容RISC-V标准指令集架构。Ishai等人在美密中提到的ISW AND掩码防护方案是一种非常著名和有效的防护对策。本文通过基于交换网络的扩展指令集和ISW AND掩码防护对策的组合设计了三种侧信道防护方案:Shuffled ISW AND 1、AES防护算法和Shuffled ISW AND 2。本文通过这三种侧信道防护方案来展示本文的基于交换网络的扩展指令集的应用。这三种侧信道防护方案结合了洗牌防护技术和ISW AND掩码防护技术的优点并且它们都是通过软硬件协同设计来抵抗侧信道攻击的防护方案。本文将基于交换网络的扩展指令集嵌入到E203和TINYRISCV两种RISC-V CPU中。然后本文评估了交换网络的扩展指令集和ISW AND掩码防护对策相结合的三种侧信道防护方案在不同CPU中的资源消耗和抗侧信道攻击的能力。从t-test分析、信噪比分析、相关性功耗分析和模板攻击等多种分析方法的分析结果可以看出,本文设计并实现的基于交换网络的扩展指令集可以显着提高单一的ISW AND掩码防护对策和无防护AES算法的侧信道安全性。

关键词：侧信道防护对策交换网络洗牌技术软硬件协同设计扩展指令集

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