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对SM4算法的改进差分故障攻击

密码学报 2020年第4期7卷 453-464页

作者：金雨璇杨宏志王相宾袁庆军战略支援部队信息工程大学郑州450000 河南省网络密码技术重点实验室郑州450000 深圳网安计算机安全检测技术有限公司深圳518028

SM4算法是国内首个官方公布的商用密码算法.本文研究SM4密码算法在差分故障攻击方向的安全性.在现有故障模型的基础上,针对现有故障注入能力已提高至比特级别的现状,提出面向比特的随机故障模型.理论上,本攻击模型通过1次单比特故障注入... 详细信息

SM4算法是国内首个官方公布的商用密码算法.本文研究SM4密码算法在差分故障攻击方向的安全性.在现有故障模型的基础上,针对现有故障注入能力已提高至比特级别的现状,提出面向比特的随机故障模型.理论上,本攻击模型通过1次单比特故障注入,结合平均15.3526比特的穷举攻击,就可以完全恢复出SM4的128比特初始密钥.由于SM4算法S盒的差分均匀度为4,也即存在四个解的差分方程,因此实际攻击时穷举攻击的复杂度将高于理论值2比特左右;随后在普通PC机上进行了大量的仿真实验,实验结果也佐证了这一事实,恢复SM4初始密钥的穷举攻击复杂度大约在15到18比特.

关键词： SM4算法差分故障攻击单比特故障故障模型

对轻量级分组密码算法LBlock的差分故障攻击

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密码学报 2019年第1期6卷 18-26页

作者：王涛王永娟高杨张诗怡信息工程大学郑州450001

本文首先分析差分故障攻击的故障模型与原理,利用S盒的差分不均匀性,通过建立输入差分、输出差分和可能输入值之间的对应关系,给出差分故障分析的优化方案,实现快速归约,提高差分故障攻击的效率.本文通过对LBlock算法建立对应关系,可以... 详细信息

本文首先分析差分故障攻击的故障模型与原理,利用S盒的差分不均匀性,通过建立输入差分、输出差分和可能输入值之间的对应关系,给出差分故障分析的优化方案,实现快速归约,提高差分故障攻击的效率.本文通过对LBlock算法建立对应关系,可以快速直观缩小输入值取值空间,进而快速确定对应扩展密钥.对于不同故障值(输入差分),对应的输出差分和可能输入值均不相同,可以得到二元关系集合.由于轻量级分组密码S盒多为4×4 S盒,该集合中元素较少,注入少量不同故障值,通过查表,对可能输入值取交集即可快速确定唯一可能输入值.将优化方案应用于LBlock轻量级分组密码算法,在最后一轮输入处注入2次宽度为16 bit的故障可恢复最后一轮轮密钥,然后将状态回推一轮,在倒数第二轮输入处注入2次宽度为16 bit的故障可恢复倒数第二轮密钥.根据密钥扩展方案,恢复两轮轮密钥后将恢复主密钥的计算复杂度降为2^(19).

关键词：轻量级分组密码 LBlock算法差分故障攻击

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轻量级分组密码GIFT的差分故障攻击

密码学报 2019年第3期6卷 324-335页

作者：冯天耀韦永壮史佳利丛旌郑彦斌桂林电子科技大学广西密码学与信息安全重点实验室桂林541004 桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室桂林541004 桂林电子科技大学广西高校云计算与复杂系统重点实验室桂林541004

差分故障攻击是一种通过利用注入故障前后状态差分,进行密钥信息恢复的一种方法.它是针对轻量级密码算法具有严重威胁的攻击之一.在CHES 2017上, Subhadeep Banik等人提出的新型轻量级密码算法GIFT具有结构设计简单、实现效率高等优点,... 详细信息

差分故障攻击是一种通过利用注入故障前后状态差分,进行密钥信息恢复的一种方法.它是针对轻量级密码算法具有严重威胁的攻击之一.在CHES 2017上, Subhadeep Banik等人提出的新型轻量级密码算法GIFT具有结构设计简单、实现效率高等优点,备受业界广泛关注.目前已经有学者用线性密码分析、差分密码分析等传统的数学攻击手段对GIFT算法进行研究,获得了许多研究结果,然而它能否有效地抵抗差分故障攻击仍待进一步探索.本文根据GIFT算法轮函数特点,运用差分故障基本思想,提出两种差分故障攻击方法.第一种攻击方法,分别在第28、27、26、25轮中间状态注入1比特故障,理论上平均需要192个错误密文即可恢复主密钥信息.第二种攻击方法,分别在第26、25、24、23轮中间状态注入1比特故障,理论上平均需要32个错误密文可恢复主密钥信息.因此,在不加防护的条件下,本文所提出的攻击方法能有效地攻击GIFT算法.

关键词：轻量级分组密码差分故障攻击 GIFT 故障模型

轻量级分组密码算法TWINE差分故障攻击的改进

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通信学报 2017年第S2期38卷 178-184页

作者：高杨王永娟王磊王涛信息工程大学河南洛阳471003

针对轻量级分组密码TWINE的半字节分组差分扩散规律展开研究,提出一种新的差分故障攻击的方法,并基于S盒差分分布统计规律性计算出恢复轮密钥的概率下界,由此给出完整恢复种子密钥的故障注入次数期望。理论证明和实验结果同时表明,算法... 详细信息

针对轻量级分组密码TWINE的半字节分组差分扩散规律展开研究,提出一种新的差分故障攻击的方法,并基于S盒差分分布统计规律性计算出恢复轮密钥的概率下界,由此给出完整恢复种子密钥的故障注入次数期望。理论证明和实验结果同时表明,算法第33、34、35轮平均注入9次故障即可完全恢复种子密钥。最后提出故障注入位置的改进,提升了实际攻击的可行性。

关键词：轻量级分组密码 TWINE算法差分故障攻击概率模型

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差分故障攻击在分组密码中的应用

差分故障攻击在分组密码中的应用

作者：李琳国防科学技术大学

学位级别：硕士

分组密码的设计和分析一直以来是密码学界的研究热点.分组密码的设计包括结构的设计和轮函数的设计.其中分组密码的结构主要包括(非平衡)Feistel结构、SPN结构和Lai-Massay结构等.差分分析是一种选择明文攻击方法,也是迄今为止已知的最... 详细信息

分组密码的设计和分析一直以来是密码学界的研究热点.分组密码的设计包括结构的设计和轮函数的设计.其中分组密码的结构主要包括(非平衡)Feistel结构、SPN结构和Lai-Massay结构等.差分分析是一种选择明文攻击方法,也是迄今为止已知的最有效的攻击方法之一,故障攻击是通过对算法执行过程中诱导故障而进行的分析. 差分故障攻击方法正是针对分组密码的结构和轮函数的特性,通过对加密硬件系统中诱导故障,结合差分分析进行的一种密码分析方法.该方法自提出后,已经对公钥密码体制、私钥密码体制中多个算法进行了成功攻击.本文利用该方法分别对KeeLoq算法和SHACAL系列算法进行了攻击. KeeLoq算法是32比特的分组密码,密钥长度为64比特,广泛应用于远程遥控和认证系统.本文采用面向比特的故障诱导模型,对KeeLoq算法进行了差分故障攻击,通过理论推导和实验模拟,证明了平均需要诱导11次错误可恢复KeeLoq密码的1比特密钥信息,表明了它对差分故障攻击的不免疫性. SHACAL系列密码由标准Hash函数SHA-1、SHA-2等演变而来.由于这些算法未采用S盒或P置换,因而实现的效率较高.本文采用面向字的故障模型,对SHACAL-1进行了差分故障攻击,理论和实验结果显示,在进行约6次故障诱导后,可以恢复SHACAL-1的32比特密钥信息.我们还对SHACAL-2也进行了差分故障攻击的理论分析,发现攻击的效率很低,因此对其变种进行了研究,这种研究促使我们寻找一种抵抗DFA的新方法.

关键词：分组密码差分故障攻击 KeeLoq算法 SHACAL-1算法

基于某款SoC芯片差分故障攻击的实现及防御对策

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基于某款SoC芯片差分故障攻击的实现及防御对策

作者：赵力强辽宁大学

学位级别：硕士

通过SOC芯片实现加密算法是数据加密的一种重要方式,随着SOC芯片在各个领域的广泛应用,其安全性也是广大学者关注的一个重要方面。针对SOC芯片实现的加密算法的攻击方法有许多种,本文采用差分故障攻击的方式对芯片进行分析,主动攻击芯... 详细信息

通过SOC芯片实现加密算法是数据加密的一种重要方式,随着SOC芯片在各个领域的广泛应用,其安全性也是广大学者关注的一个重要方面。针对SOC芯片实现的加密算法的攻击方法有许多种,本文采用差分故障攻击的方式对芯片进行分析,主动攻击芯片的某些方面,使芯片产生错误运算,从而分析出关键信息,并针对各种故障攻击方式介绍防御方案,并设计一种软件防御方案和一种硬件防御方案。本文通过激光、电压毛刺、时钟毛刺的方式对SOC芯片注入故障,采用差分故障分析（Differential Fault Analysis,DFA）得出算法秘钥,并根据差分故障攻击的特点设计防御方式。首先,详细剖析了DES算法的运算过程,并在DES算法实现过程的基础上进行差分故障分析,详细分析第15轮、第16轮攻击和秘钥恢复过程。接着,分别采用激光、电压毛刺、时钟毛刺的方式对SOC芯片运行的DES算法进行故障注入,获取故障数据,对足够数量的故障数据进行分析筛选计算,得到加密过程中应用的算法秘钥。最后,针对各种故障注入方式思考阻止故障注入和检测故障注入的方案,实现一种基于随机伪轮和逆运算的防御强度可控的时间冗余软件防御方案,和另一种基于随机时钟和奇偶校验的硬件防御方案。本文通过多种故障注入方式对某款SOC芯片运行的DES算法进行差分故障攻击,获取算法秘钥,证明算法在芯片中运算存在不安全因素,然后针对各类故障攻击方法设计可控的防御算法,软件实现算法主要依靠随机伪轮、逆运算构成的时间冗余方案,硬件实现主要依靠随机时钟、奇偶校验构成的防御方案。攻击和防御的实现主要为以后的各类算法的抗故障攻击设计和抗攻击性能验证提供参考。

关键词：安全SOC芯片 DES算法差分故障攻击故障注入防御设计

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对流密码Decim^(v2)差分故障攻击

小型微型计算机系统 2015年第1期36卷 150-155页

作者：陈浩王韬刘会英军械工程学院信息工程系石家庄050003

针对Decimv2流密码现有故障攻击方法未有效利用Decimv2非线性布尔函数差分特性导致攻击复杂度高的问题,提出一种改进的差分故障攻击方法,该方法充分利用Decimv2非线性布尔函数的差分特性,通过在Decimv2线性反馈移位寄存器LFSR中注入面... 详细信息

针对Decimv2流密码现有故障攻击方法未有效利用Decimv2非线性布尔函数差分特性导致攻击复杂度高的问题,提出一种改进的差分故障攻击方法,该方法充分利用Decimv2非线性布尔函数的差分特性,通过在Decimv2线性反馈移位寄存器LFSR中注入面向比特的随机故障,构建算法内部状态的线性方程组,并对方程组进行求解恢复初始密钥K.实验结果表明,平均2个故障注入可恢复全部80比特初始密钥,所需密钥流为144比特,整个攻击计算复杂度由现有的O(242.5)减小为O(238.95).此外,该攻击方法可以为其他流密码差分故障攻击提供一定的参考.

关键词：差分故障攻击非线性布尔函数流密码 Decimv2密码

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SHACAL-2算法的差分故障攻击

电子与信息学报 2010年第2期32卷 318-322页

作者：魏悦川李琳李瑞林李超国防科技大学计算机学院长沙410073 国防科技大学理学院长沙410073 西安陆军学院西安710108 中国科学院软件所信息安全国家重点实验室北京100039

该文采用面向字的随机故障模型,结合差分分析技术,评估了SHACAL-2算法对差分故障攻击的安全性。结果显示:SHACAL-2算法对差分故障攻击是不免疫的。恢复出32 bit子密钥的平均复杂度为8个错误密文,完全恢复出512 bit密钥的复杂度为128个... 详细信息

该文采用面向字的随机故障模型,结合差分分析技术,评估了SHACAL-2算法对差分故障攻击的安全性。结果显示:SHACAL-2算法对差分故障攻击是不免疫的。恢复出32 bit子密钥的平均复杂度为8个错误密文,完全恢复出512 bit密钥的复杂度为128个错误密文。

关键词：分组密码 SHACAL-2 差分故障攻击

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两种轻量级分组密码的差分故障攻击

两种轻量级分组密码的差分故障攻击

作者：李嘉琪西安电子科技大学

学位级别：硕士

密码学是信息安全的基础,而分组密码又是密码学中的重要内容,是实现信息保密的核心体制,对它的安全性分析始终是密码学中的重要组成部分。近年来,随着“互联网+”战略的提出以及物联网的快速发展,分组密码应用的硬件环境发生了变化,加... 详细信息

密码学是信息安全的基础,而分组密码又是密码学中的重要内容,是实现信息保密的核心体制,对它的安全性分析始终是密码学中的重要组成部分。近年来,随着“互联网+”战略的提出以及物联网的快速发展,分组密码应用的硬件环境发生了变化,加密设备开始向计算能力弱、存储空间小、运行能耗低的高受限设备过渡。这一变化对分组密码的设计提出了新的要求,轻量级分组密码的概念由此提出,并迅速成为分组密码研究领域的重要方向。密码算法的安全性分析在密码学研究领域一直非常活跃,轻量级分组密码自提出以来,受到了广大学者的关注,在轻量化的前提下如何保证算法的安全性成为了一个重要课题。传统密码分析方法从轻量级分组密码算法的数学结构研究其安全性能,但在实际应用领域中,密码算法一般使用各类芯片来实现,如智能卡、加密存储卡等,这些设备在运行时可能会泄漏某些中间状态信息,从而面临旁路攻击的威胁。差分故障攻击作为旁路攻击中最有效、使用最广泛的攻击方法之一,受到了国内外从事密码学和微电子研究学者的极大关注,该方法的理论分析和物理激发实现也因此取得了长足的发展,对轻量级分组密码算法进行差分故障分析是十分必要的。本文针对两种具有Feistel结构的轻量级分组密码算法FeW和GOST进行了差分故障攻击,在多种故障模型下评估了这两个密码算法面对差分故障攻击的安全性能,并给出了完整的攻击方案和模拟攻击实验,研究成果对其他同类型的Feistel迭代分组密码算法的安全性分析具有重要意义。FeW算法是Kumar等人在2019年发表的新型轻量级分组密码算法,它可以在规格很小的硬件和微型控制器上实现,并拥有很高的软硬件实现效率,为了评估其安全性能,本文提出并讨论了一种针对FeW算法的差分故障分析方法。该方法采用单字节随机故障模型,选择在FeW算法的最后一轮右侧引入单字节随机故障,利用线性扩散函数的特点获取差分信息,并基于S盒差分分布统计规律实现密钥恢复。实验结果表明,平均47.73次和79.55次故障注入可以分别完全恢复FeW-64-80和FeW-64-128的主密钥。在此基础上,本文又提出了一种加入穷举搜索的密钥恢复方案,若在恢复密钥过程中加入2的穷举计算,所需平均故障注入次数可分别降至24.90和41.50。该方法为同类攻击提供了新的思路。GOST算法是俄罗斯政府的加密标准,公布于1994年,其结构简洁、安全性能好,至今仍在俄联邦有着非常广泛的应用。此外,GOST拥有极高的硬件实现效率,符合轻量级密码算法的设计准则,适用于RFID等资源受限设备,并于2010年提交给国际标准化组织ISO成为全球工业加密标准。本文针对GOST算法中的模加运算部件进行细致分析,将模加运算等价转化为异或运算,为差分故障攻击提供了可能,经过多种故障模型下的差分故障分析,最终确定了一种针对GOST的单字节故障多轮攻击方法。该方法的故障时刻为有限范围内的单轮故障,故障位置为单字节随机故障,实验结果表明,平均7.52次故障引入就可以恢复256比特主密钥,12次故障内的恢复率达98%。该方法对含有模加运算部件的同类型算法的差分故障分析具有重要的借鉴意义。

关键词：轻量级分组密码差分故障攻击 FeW算法 GOST算法