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功耗分析攻击中的功耗与数据相关性模型

通信学报 2012年第S1期33卷 276-281页

作者：罗鹏冯登国周永彬中国科学院软件研究所北京100049 中国科学院研究生院北京100049

在对密码设备进行功耗分析攻击时,攻击者需要建立密钥或者与密钥关联的数据值与被攻击设备的功耗相关性模型,藉此通过对功耗的分析破解出敏感信息。从攻击者的角度对器件功耗物理特性分析的基础上,重构了汉明距离模型和汉明重量模型,并... 详细信息

在对密码设备进行功耗分析攻击时,攻击者需要建立密钥或者与密钥关联的数据值与被攻击设备的功耗相关性模型,藉此通过对功耗的分析破解出敏感信息。从攻击者的角度对器件功耗物理特性分析的基础上,重构了汉明距离模型和汉明重量模型,并从理论上证明了汉明重量模型的正确性,并建立起MCU功耗采集平台,验证了汉明重量模型的有效性和实用性。

关键词：信息安全密码学边信道攻击功耗分析攻击相关性模型

抗功耗分析攻击的安全RISC-V处理器研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2021年第8期54卷 868-874页

作者：刘强刘斌 [艹卢]世雄赛斌天津大学微电子学院天津300072 天津市成像与感知微电子技术重点实验室天津300072 恩智浦强芯(天津)集成电路设计有限公司天津300457

为了消除功耗分析攻击的威胁,同时保证处理器的低功耗和高性能,提出了一种安全RISC-V处理器的实现方法.此安全处理器支持两种工作模式:安全模式和普通模式,分别用来处理需要保护的敏感数据和可公开的非敏感数据.安全模式的实现方法是在... 详细信息

为了消除功耗分析攻击的威胁,同时保证处理器的低功耗和高性能,提出了一种安全RISC-V处理器的实现方法.此安全处理器支持两种工作模式:安全模式和普通模式,分别用来处理需要保护的敏感数据和可公开的非敏感数据.安全模式的实现方法是在寄存器传输层(RTL)应用面向域掩码(DOM)技术对处理器的所有数据通路进行保护,包括通用寄存器、算术逻辑单元和数据存储单元等,最终数据通路位宽由32位扩展到64位.同时,通过可配置架构设计,实现了普通工作模式,在此模式下处理器支持RV32IMC和RV64IMC指令集.为了降低总体资源消耗,普通模式下的数据通路均通过复用安全模式的部分资源实现.通过两种工作模式的切换,处理器既可以有效保护敏感数据,又可以降低系统总功耗.使用global foundry 40 nm标准工艺库对设计进行综合,结果改造后的安全处理器面积是原版的1.68倍.搭建处理器仿真与攻击平台,用于验证安全处理器执行指令时的正确性和安全性.分别在两种工作模式下执行相同的任务,结果显示安全模式的功耗是普通模式的6.45倍,证明了普通模式存在的优越性;在两种工作模式下分别采集两百万条功耗曲线进行差分功耗分析(DPA)攻击,结果在普通模式下敏感密钥被成功获取,而在安全模式下敏感密钥被有效保护;采用Welch’s t-test分别对两种工作模式的抗功耗分析攻击能力进行评估,结果显示在99.99%的置信度下,普通模式存在多处安全隐患,而安全模式全程不会泄露敏感信息.

关键词：功耗分析攻击 RISC-V DOM 处理器安全

等功耗编码算法的改进实现及抗功耗分析攻击研究

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通信学报 2010年第8期31卷 26-30页

作者：吴震陈运王敏陈俊成都信息工程学院信息安全研究所四川成都610225

等功耗编码算法是一种既能提高算法效率,又能提高抗功耗分析攻击安全性的算法,但由于伪操作设计缺陷,原型算法在全零段时存在抗攻击弱点。经过对伪操作重新设计的优化改进,算法的安全性得到进一步加强。同时还给出了一种使用蒙哥马利算... 详细信息

等功耗编码算法是一种既能提高算法效率,又能提高抗功耗分析攻击安全性的算法,但由于伪操作设计缺陷,原型算法在全零段时存在抗攻击弱点。经过对伪操作重新设计的优化改进,算法的安全性得到进一步加强。同时还给出了一种使用蒙哥马利算法的快速算法实现,在进一步提高算法效率的同时,并未削弱其安全性。在功耗测试平台上的实测结果也验证了该改进算法抗功耗分析攻击的有效性。

关键词：信息安全边信道攻击功耗分析攻击等功耗编码算法

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功耗分析攻击中滤噪方法的研究

微电子学与计算机 2012年第8期29卷 107-110,114页

作者：陈艾东孙敦灿杨航江王飞雁电子科技大学计算机科学与工程学院四川成都610054 成都信息工程学院信息安全研究所四川成都610225

在真实环境的功耗分析攻击中发现,功耗曲线经常受到大量噪声的影响.为了提高攻击效率,分析了几种常用滤波方法的特点,针对具体的功耗分析问题在真实环境下进行了实验.对几种滤波效果进行了对比,得出滑动平均滤波最适合解决此类问题的结论.

关键词：密码分析边信道攻击功耗分析攻击滤噪算法

椭圆曲线密码中抗功耗分析攻击的标量乘改进方案

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计算机工程与科学 2014年第4期36卷 644-648页

作者：张友桥周武能申晔刘玉军东华大学信息科学与技术学院上海201620 上海华虹集成电路有限责任公司上海201203

椭圆曲线标量乘法运算是椭圆曲线密码(ECC)体制中最主要的计算过程,标量乘法的效率和安全性一直是研究的热点。针对椭圆曲线标量乘运算计算量大且易受功耗分析攻击的问题,提出了一种抗功耗分析攻击的快速滑动窗口算法,在雅可比和仿射混... 详细信息

椭圆曲线标量乘法运算是椭圆曲线密码(ECC)体制中最主要的计算过程,标量乘法的效率和安全性一直是研究的热点。针对椭圆曲线标量乘运算计算量大且易受功耗分析攻击的问题,提出了一种抗功耗分析攻击的快速滑动窗口算法,在雅可比和仿射混合坐标系下采用有符号滑动窗口算法实现椭圆曲线标量乘计算,并采用随机化密钥方法抵抗功耗分析攻击。与二进制展开法、密钥分解法相比的结果表明,新设计的有符号滑动窗口标量乘算法计算效率、抗攻击性能有明显提高。

关键词：椭圆曲线密码标量乘功耗分析攻击滑动窗口算法混合坐标系

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抗功耗分析攻击的安全高效标量乘算法

控制工程 2017年第12期24卷 2462-2465页

作者：杨斌广州科技贸易职业学院广州5114421

功耗分析攻击已成为智能芯片最具威胁的攻击方法之一。针对安全和效率之间的矛盾,给出一种抗功耗分析攻击的安全高效标量乘算法。通过将标量编码成带符号阶乘展开式的形式,并采用基点掩码实现抵御功耗分析攻击,然后利用半点运算提高标... 详细信息

功耗分析攻击已成为智能芯片最具威胁的攻击方法之一。针对安全和效率之间的矛盾,给出一种抗功耗分析攻击的安全高效标量乘算法。通过将标量编码成带符号阶乘展开式的形式,并采用基点掩码实现抵御功耗分析攻击,然后利用半点运算提高标量乘的运算效率。性能分析结果表明:新抗功耗分析攻击方案不仅能抵御多种功耗分析攻击,且同经典抗功耗分析攻击算法相比,新方案能够有效提高运算效率,在资源受限的各种应用系统中具有很好的推广应用价值。

关键词：功耗分析攻击标量乘带符号阶乘展开式半点运算

基于RSA密码芯片的功耗分析攻击的研究与实现

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基于RSA密码芯片的功耗分析攻击的研究与实现

作者：刘亚灵天津大学

学位级别：硕士

随着信息技术的飞速发展，信息安全已经成为当今社会越来越关注的问题。密码算法是确保信息安全的核心技术，而密码算法自身的安全性一直以来都是国内外研究学者关注的热点问题。长期以来，许多专家学者致力于从数学角度寻找密码算法的... 详细信息

随着信息技术的飞速发展，信息安全已经成为当今社会越来越关注的问题。密码算法是确保信息安全的核心技术，而密码算法自身的安全性一直以来都是国内外研究学者关注的热点问题。长期以来，许多专家学者致力于从数学角度寻找密码算法的缺陷，进而获得破解途径，这需要积累大量的数学知识，并且通常需要花费很长的时间。随着密码算法在现实生活中的不断应用，人们发现密码设备在运行的过程中会泄露很多信息，如执行时间、功耗、电磁辐射等。利用这些数据，再运用数学知识加以分析，可以比较容易的获得密钥信息，这种攻击方法就是旁路攻击。功耗分析攻击是旁路攻击中应用最为广泛的方法，它是根据设备操作与消耗的功耗之间的相关性推测密钥信息，因其费用低廉、密钥搜索空间小等优点，已成为加密系统最具威胁性的攻击方法。公钥密码系统是现代密码学中非常重要的分支系统。其中，RSA算法是公钥密码系统中得到认可的一个非对称的加密算法，它不仅可以用来加解密、数字签名，而且在安全认证方面起到了核心作用，已经应用在各种产品和平台之上。因此研究RSA密码算法的抗功耗分析攻击能力，对于我国的经济安全具有十分重要的意义。本文以实验室所做的常用RSA密码执行算法及基于传输触发体系架构的RSA-RNS密码算法的ASIC实现为例，针对简单功耗分析攻击（SPA）和差分功耗分析攻击（DPA），开展了大量的研究工作。不仅对基于余数系统的RSA算法进行了详细研究，分析了其硬件实现的关键特点，而且对功耗分析攻击的基础理论和具体实现方法进行了多方面的学习，实现了功耗分析攻击的仿真平台的设计。本文的主要工作和创新点如下： 1)利用EDA（Electronic Design Automation）工具设计功耗分析平台的软件流程并将其实现为密码算法硬件设计的安全检测平台，其中功耗分析攻击部分是此平台重点，包括功耗采集和功耗分析两部分内容。 2)用C语言实现功耗分析攻击的多种算法：SEMD、MESD、ZEMD、CPA，并将其称为功耗分析算法库，作为密码算法硬件设计的安全检测平台中非常重要的一部分。 3)对RSA密码执行算法和基于传输触发体系架构的RSA-RNS算法的ASIC实现进行功耗分析攻击研究，研究他们的抗功耗分析攻击的能力。

关键词：旁路攻击功耗分析攻击 RSA 传输触发架构 RNS

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抗功耗分析攻击的高速ECC算法加速器

抗功耗分析攻击的高速ECC算法加速器

作者：曹杰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息安全需求的日益增长，目前普遍采用的1024位RSA算法面临严重的安全威胁，而ECC（椭圆曲线密码）算法相比RSA算法在安全性和加解密速率方面具有显著的优势，为了保障重要经济领域密码应用的安全，我国国家密码管理局制定了具有... 详细信息

随着信息安全需求的日益增长，目前普遍采用的1024位RSA算法面临严重的安全威胁，而ECC（椭圆曲线密码）算法相比RSA算法在安全性和加解密速率方面具有显著的优势，为了保障重要经济领域密码应用的安全，我国国家密码管理局制定了具有自主知识产权的ECC国家标准算法（即SM2算法），公布了相关标准及规范，并要求相关行业采用SM2算法替换RSA算法。同时，针对ECC算法的旁路攻击技术也是层出不穷，其中功耗分析攻击就是利用ECC在加解密过程中泄露的功耗信息进行攻击，这种攻击方法效率高，威胁性大。因此，ECC国家标准算法如何高速实现及其抗功耗分析攻击的研究成为当前及未来密码产业关注的热点。本文针对ECC的应用需求，设计了一款面向SOC设计的素数域上ECC加速器IP，结合ECC算法原理和硬件实现的特点，提出一种安全、高效、易实现的算法方案，用软件验证了方案的正确性和可行性后，采用verilog硬件描述语言完成ECC加速器的RTL设计，并通过详细的仿真验证及逻辑综合，验证了加速器的算法正确性、速度以及面积等性能指标。除此之外，本文针对加密算法搭建了功耗分析攻击平台，为验证ECC加速器抗功耗分析攻击的能力奠定了基础。本文实现的加速器支持192/256bit多种椭圆曲线的应用，支持固定基单基点乘和双点乘运算，其中双点乘运算中提出了从左到右联合编码和Shamir双点乘相结合的快速算法。加速器基于SMIC0.13um工艺和200MHz频率，256bit素数域上每秒能完成5000次签名和1600次验证。这对于今后高性能的密码芯片产品研发有着重要的参考意义。

关键词：椭圆曲线密码体制点乘 SM2 加速器功耗分析攻击

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抗功耗分析攻击的轻量级SM2算法硬件设计

抗功耗分析攻击的轻量级SM2算法硬件设计

作者：王永乐湖南大学

学位级别：硕士

现如今物联网设备正逐渐融入到人们的生活中,使得我们的生活变得更加便捷,如:智能摄像头、智能汽车、智能机器人等。但随着大量物联网设备出现,这给信息攻击者提供大量的窃听机会,这对物联网设备的安全芯片的安全性提出更为严格的要求... 详细信息

现如今物联网设备正逐渐融入到人们的生活中,使得我们的生活变得更加便捷,如:智能摄像头、智能汽车、智能机器人等。但随着大量物联网设备出现,这给信息攻击者提供大量的窃听机会,这对物联网设备的安全芯片的安全性提出更为严格的要求。因此,针对面向物联网设备的安全芯片,我们首先考虑其采用的密码算法安全性,接着是安全芯片的硬件资源成本,最后是安全芯片的性能。在设计中,若遇到安全性与资源冲突时,需增大硬件资源消耗以满足安全性;若遇到资源与性能冲突时,需牺牲性能以满足轻量级的要求。在众多密码算法中,我国自主开发的首款非对称密码算法——SM2密码算法正满足上述要求。在密码算法发展的同时,攻击者对密码算法攻击力度及手段也不断升级,以破译安全芯片获取信息。其中功耗分析攻击破译安全芯片的效率,对安全芯片威胁最大。因此,SM2密码算法的轻量级实现及抗功耗分析攻击能力的设计对物联网的发展有着巨大的推动力。本文分析了 SM2密码算法中公钥生成,即椭圆曲线上的点乘运算在遭受功耗分析攻击时的容易将私钥还原出来,成为SM2密码算法安全性的薄弱点。同时,椭圆曲线运算效率直接影响着SM2密码算法的性能,这也是SM2密码算法硬件实现的关键点。因此,本文针对面向物联网设备的安全芯片设计一款具有抗功耗分析攻击能力的轻量级SM2密码算法硬件电路。本文主要工作特色和创新点如下:采用自下而上的设计思想完成的硬件设计与功能仿真验证。为了提高算法安全性,本文提出二进制拓展Euclidean算法负模逆运算。并设计出了一款素数域模逆、负模逆兼容的运算模块,以降低硬件资源的消耗;采用坐标轴随机化处理方案改进了 Montgomery算法点乘运算同时具有错误注入攻击防护能力,并且联合Prime Time功耗分析工具与Matlab数据分析工具对设计改进Montgomery算法点乘运算进行功耗分析攻击测试,测试结果表明其具有抵抗攻击分析攻击能力。采用TSMC 28nm工艺库,在400MHz频率要求下完成逻辑综合,面积报告表明SM2密码算法核心运算逻辑面积约为31000μm2,这满足了轻量级的设计规格要求。对比同类型文献报道件资源消耗,本文设计的硬件电路降低了 70%的硬件资源消耗,突出了该电路轻量级的特点。

关键词： SM2密码算法素数域改进Montgomery算法点乘运算功耗分析攻击