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高级数据加密标准的功耗分析及防范方法研究

高级数据加密标准的功耗分析及防范方法研究

作者：刘上力中南大学

学位级别：硕士

智能卡正越来越广泛地应用到交通、电子商务、ID卡等领域。其主要的优势在于内部的数据只用于内部处理，只有运算的结果可以获取，然而智能卡芯片的内部数据可以通过边带信道攻击得到。当输入的信息和密钥进行加密运算时，芯片的能量消... 详细信息

智能卡正越来越广泛地应用到交通、电子商务、ID卡等领域。其主要的优势在于内部的数据只用于内部处理，只有运算的结果可以获取，然而智能卡芯片的内部数据可以通过边带信道攻击得到。当输入的信息和密钥进行加密运算时，芯片的能量消耗和电磁辐射等边带信号会泄漏并被利用来得到密钥。功耗分析是一种利用能量消耗信息的边带信道攻击方法，同时也是密码领域中一种比较重要的密码分析技术。它根据加密系统中所进行的操作和操作数与功耗之间的相关性，推测出攻击者所需的关键信息，而且无论是软件实现加密算法或是由专门加密模块／加密协处理器来实现加密算法，攻击者均可以通过获得相应的功耗曲线破译密码。因此，功耗分析技术对加密系统而言是一种严重威胁。研究功耗分析技术如何破译密码算法中的密钥，并以此为基础提出防范功耗分析的安全密码算法是非常必要的。本论文主要研究了针对AES算法的功耗分析方法及关键技术，并进行了相应的数学分析，最后提出具体的防范功耗分析的改进方法，解决了加密系统的功耗分析问题。完成的主要研究工作如下：首先，论文详细阐述了对高级加密标准进行差分功耗分析(DPA)的建模原理，利用汉明距离模拟DPA功耗以及概率相关性方法，提出了新的DPA模型，并以此模型为基础，提出了D函数的选择原则，给出了基于汉明距离的DPA仿真实验结果并解释了奇异峰值现象。然后，在相关功耗分析的基础上提出了一种基于Walsh谱的功耗分析的新方法，证明了分组密码布尔函数的非线性度越高，密码防范功耗分析的能力就越弱的结论。实验表明，相对差分功耗分析、相关功耗分析而言，基于Walsh谱的功耗分析有效的提高了析出密钥的效率和精度。最后，根据操作数与功耗之间的相关性，把MASK技术引入到防范功耗分析研究中，分析和比较了布尔遮盖法和乘法遮盖法之间的优缺点，提出了一种应用于规模受限且基于逻辑电路实现的智能卡的防范n阶差分功耗分析的方法。

关键词：高级加密标准差分功耗分析相关功耗分析 Walsh谱遮盖方法

基于功耗分析的嵌入式设备边信道攻击与防御方法研究

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基于功耗分析的嵌入式设备边信道攻击与防御方法研究

作者：宋子言重庆邮电大学

学位级别：硕士

以智能移动终端、智能可穿戴设备为代表的智能嵌入式终端已经改变了人们的生活方式。另外,物联网技术的发展使得智能硬件设备逐渐成为用户信息的源头和用户数据处理的主要平台,这些设备的安全问题已经关系到人们生活和工作的方方面面,... 详细信息

以智能移动终端、智能可穿戴设备为代表的智能嵌入式终端已经改变了人们的生活方式。另外,物联网技术的发展使得智能硬件设备逐渐成为用户信息的源头和用户数据处理的主要平台,这些设备的安全问题已经关系到人们生活和工作的方方面面,而这些智能硬件设备以嵌入式设备为主,以至于越来越多的不法分子通过攻击嵌入式设备谋取私利。因此,研究嵌入式设备的边信道攻击和防御,有助于降低设备安全风险,为用户隐私信息提供安全保障,具有重要意义。为此,本文首先介绍了边信道攻击中的简单功耗分析、差分功耗分析和相关功耗分析,接着针对相关功耗分析受所采集的功耗数据中的噪声影响较大的问题提出了基于混合去噪的相关功耗分析方法。本文的混合去噪方法先使用巴特沃斯低通滤波对功耗数据进行初步预处理,然后再用经验模态分解小波阈值去噪的方法进行更精细的噪声滤除,并改进了汉明重量模型。最后,本文将该方法与其他方法进行了对比实验,证明本文的方法能有效提高攻击效率。本文还介绍了常见的边信道攻击防御技术和AES算法的原理,并针对现在的边信道攻击防御方法大多只对常见的攻击点进行防御的问题,提出了一种基于随机掩码的边信道攻击防御方法。首先将AES算法的S盒拆分成两个,形成双路径,然后分别在子路径和两条子路径上设置不同的随机掩码,实现了双路径双重掩码且防御范围涵盖所有操作的边信道攻击防御方法。最后通过相关功耗分析攻击实验证明该方法能够有效抵御功耗分析攻击。最后,本文设计实现了一个软硬件结合的边信道攻击测试系统。该系统能够对多种嵌入式平台上的加密算法进行功耗分析和故障注入攻击测试,且可以实时获取功耗数据并进行攻击分析,同时还能将采集数据和分析结果进行可视化展示,可方便相关领域研究者的学习和测试。

关键词：边信道攻击 AES算法嵌入式设备随机掩码相关功耗分析

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轻量级密码算法软件实现性能及功耗分析研究

轻量级密码算法软件实现性能及功耗分析研究

作者：杨威成都信息工程大学

学位级别：硕士

物联网和普适计算的发展使得越来越多的便携式智能设备如无线传感器、智能卡、RFID标签等在生活中得到广泛的应用。这些智能设备只有有限的资源和计算能力,经常会处理一些敏感的数据,对安全性有一定的要求。传统的密码算法在实现时需要... 详细信息

物联网和普适计算的发展使得越来越多的便携式智能设备如无线传感器、智能卡、RFID标签等在生活中得到广泛的应用。这些智能设备只有有限的资源和计算能力,经常会处理一些敏感的数据,对安全性有一定的要求。传统的密码算法在实现时需要较多的软硬件资源,并不适用于资源受限设备。兼顾实现性能和安全性的轻量级密码算法才是保护资源受限设备数据安全的合适选择。然而,由于这类资源受限设备通常暴露在开放环境中且易于物理接触,使得应用在其上的轻量级密码算法容易遭受功耗分析攻击的威胁。KLEIN和ITUbee是近两年提出的轻量级分组密码算法,它们与大多数面向硬件实现而设计的轻量级密码不同的一点是采用了面向软件实现的设计思想,这使得它们不仅适用于资源受限设备,而且很适合在无线传感器上采用灵活且便于维护的软件实现方式。目前,对于这两种轻量级密码的软件实现性能和功耗分析攻击的研究还很少。因此,对KLEIN和ITUbee采用软件实现时的性能进行合理评估,在软件实现的基础上研究其遭受相关功耗分析攻击(Correlation Power Analysis,CPA)时的安全性,并设计对其软件实现性能影响较小的抗功耗分析攻击的方案,具有重要的理论意义和应用参考价值。本文首先论述了对KLEIN及ITUbee进行软件实现性能的评估和功耗分析研究的意义,并对这两种密码算法采用软件实现时的性能进行了评估。为了更好的进行对比分析,以无线传感器中广泛使用的8位微控制器作为实验环境,遵从相同的编程规范和优化策略对KLEIN、ITUbee、PRESENT和AES算法进行软件实现,通过衡量密码算法采用软件实现时的存储空间占用、加密和解密一个数据分组所需的时钟周期数以及加密和解密时的吞吐率等指标,来对这四种密码算法的软件实现性能进行评估和比较。评估结果表明,面向软件实现而设计的KLEIN及ITUbee在存储空间占用、运行效率以及综合性能方面都远远优于面向硬件实现而设计的PRESENT,在存储空间占用方面也优于软件实现性能良好的AES,KLEIN在运行效率及综合性能方面优于ITUbee,但存储空间占用多于ITUbee。其次,在对KLEIN及ITUbee软件实现的基础上,分析算法流程,并选取合适的攻击点对这两种密码算法进行了CPA攻击,攻击结果表明:在功耗曲线样本量为223时,就可以通过CPA攻击KLEIN加密第一轮而恢复出其8个字节轮密钥中的6个字节,随着功耗曲线样本量增加到10000,破解出的密钥的正确率稳定在75%;在功耗曲线样本量分别为54和43时,就可以分别通过CPA攻击ITUbee加密第一轮和解密第一轮而恢复出其10个字节密钥的高5字节和低5字节,且随着样本量增加到5000,破解出的密钥的正确率稳定在100%。由此可知没有防御措施的KLEIN及ITUbee的软件实现在遭受CPA攻击时是不安全的。最后,针对KLEIN及ITUbee分别设计并实现了防御功耗分析攻击的掩码方案,并对所设计的掩码方案的有效性以及对算法软件实现性能的影响做了实验验证和对比分析,实验表明:添加掩码方案后KLEIN及ITUbee均能有效的抵抗CPA攻击;对比分析表明:添加掩码方案后,KLEIN及ITUbee的软件实现性能都有所下降,但总体上KLEIN及ITUbee添加掩码方案后的软件实现仍属于轻量级的实现。

关键词：轻量级密码 KLEIN ITUbee 性能评估相关功耗分析掩码

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基于深度学习LSTM的侧信道分析

计算机工程 2021年第10期47卷 140-146页

作者：王俊年朱斌于文新王皖胡钒梁湖南科技大学物理与电子科学学院湖南湘潭411201 湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201 知识处理与网络化制造湖南省普通高等学校重点实验室湖南湘潭411201

加密数据的安全性受到加密算法和加密设备的影响,为评估密码硬件的可靠性,能量分析等多种针对加密平台的攻击方法得到广泛应用。深度学习是一种性能良好的数据分析方法,基于深度学习的功耗侧信道攻击方法一经提出便引起关注。提出一种... 详细信息

加密数据的安全性受到加密算法和加密设备的影响,为评估密码硬件的可靠性,能量分析等多种针对加密平台的攻击方法得到广泛应用。深度学习是一种性能良好的数据分析方法,基于深度学习的功耗侧信道攻击方法一经提出便引起关注。提出一种基于深度学习LSTM的侧信道攻击方法,利用相关功耗分析方法确定侧信道功耗数据的兴趣点,通过兴趣点位置选择合适的兴趣区间作为特征向量以搭建神经网络模型。实验结果表明,相比MLP和CNN模型,LSTM网络模型在侧信道攻击中具有较高的攻击效率。

关键词：能量分析侧信道攻击深度学习相关功耗分析长短时记忆网络

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针对随机延迟防护的安全性评价方法

武汉大学学报(理学版) 2018年第6期64卷 491-500页

作者：罗买兴刘亮杨国峰唐明武汉大学计算机学院北京智芯微电子科技有限公司电力芯片设计分析国家电网公司重点实验室北京智芯微电子科技有限公司北京电力高可靠性集成电路设计工程技术中心国网新疆电力公司检修公司

提出了一个针对随机延迟防护的攻击方法的分析评价框架.在这个框架的基础上分析了直接攻击和整合(integration)攻击的攻击效率.同时,提出了一种新的攻击方法 WIA(带权重的整合攻击),分析了其在各种条件下的攻击效率,得出了比现有文献更... 详细信息

提出了一个针对随机延迟防护的攻击方法的分析评价框架.在这个框架的基础上分析了直接攻击和整合(integration)攻击的攻击效率.同时,提出了一种新的攻击方法 WIA(带权重的整合攻击),分析了其在各种条件下的攻击效率,得出了比现有文献更一般性的结论.试验结果表明,相比于已有的攻击方法,WIA的攻击效率更高,因此WIA的攻击结果更能科学地反映随机延迟防护的安全性强度.

关键词：侧信道分析随机延迟安全性评价相关功耗分析

基于7816协议的智能卡边信道攻击的研究与实现

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基于7816协议的智能卡边信道攻击的研究与实现

作者：焦鹏电子科技大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,随着科技的进步,人们越来越多的追求生活的质量,讲究生活的便利。智能卡作为我们生活中身份的标识、金钱的存储、信息的传递的重要媒介,以其便捷轻巧、安全可靠、性能高效的特征很快应用到我们生活的方方面面,成为我们... 详细信息

随着社会的发展,随着科技的进步,人们越来越多的追求生活的质量,讲究生活的便利。智能卡作为我们生活中身份的标识、金钱的存储、信息的传递的重要媒介,以其便捷轻巧、安全可靠、性能高效的特征很快应用到我们生活的方方面面,成为我们生活中不可或缺的一部分。为了保障智能卡信息的安全性,智能卡中普遍采用了加密算法,如DES、AES、RSA等等。在密码算法的呵护下,智能卡信息数据相对安全可靠。但是当边信道分析的横空出世,打破了这片安宁,使得智能卡仅仅单独依靠密码算法的保护不再那么坚不可摧。在边信道攻击的方式中,功耗分析是最具有代表性的,该方式首先采集智能卡加密时泄露的功耗信息,然后通过对功耗信息进行比对分析,最终将智能卡破解。论文通过功耗分析的方式对接触式智能卡内部算法的密钥进行相关的攻击和研究。功耗分析的前提是需要获取功耗信息,所以针对这个前提条件首先开发了功耗采集平台,采集平台基于接触式智能卡的通信协议——ISO7816协议进行开发。在设计功耗采集平台的方案时,尽可能地做到降低噪声干扰,使采集到的泄露功耗纯净,以便于后期对数据的处理和分析。当前生产生活中,所使用的智能卡的内部加密算法普遍以DES为主要算法,我们对这种智能卡进行攻击时,首先在功耗采集平台上采集大数据量的功耗信息,然后结合DES算法输入时的不同明文建立功耗模型,最后利用功耗模型和实际采集到的功耗信息进行相关性计算从而分析出最终的密钥。与此同时,在当前大数据和机器学习的火热氛围中,论文还讨论了结合模板分析的攻击方式。此外,分别在硬件级别、系统级别和应用级别探讨了针对边信道攻击的防御措施。本文研究表明,功耗分析对没有边信道防御措施的智能卡的密钥具有有效的分析和破解,因此,关于对智能卡在边信道这一领域的研究迫在眉睫。

关键词：边信道攻击智能卡 DES算法相关功耗分析

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基于时钟同步采集的旁路攻击研究及实践

基于时钟同步采集的旁路攻击研究及实践

作者：宋安上海交通大学

学位级别：硕士

旁路攻击对加密算法的安全性造成了很大的威胁,在安全领域受到研究者广大的关注和研究。旁路信息的采集作为旁路攻击的第一步,是后续分析和攻击的基础。传统的异步采集方法降低了旁路信息的信噪比,同时还使得后续无法对齐旁路信息,对旁... 详细信息

旁路攻击对加密算法的安全性造成了很大的威胁,在安全领域受到研究者广大的关注和研究。旁路信息的采集作为旁路攻击的第一步,是后续分析和攻击的基础。传统的异步采集方法降低了旁路信息的信噪比,同时还使得后续无法对齐旁路信息,对旁路信息的攻击造成了极大的困难。因此,大幅提升旁路信息的采集效率,并研究基于旁路信息的旁路攻击方法是十分重要的。本文主要的研究内容和研究成果如下:1、针对传统的异步旁路信息失调问题,本文定性分析了问题的成因,提出了旁路信息的泄漏度评估方法,证明了同步采集方法对旁路信息的信噪比的提升。2、从传统的异步旁路信息采集问题出发,本文利用FPGA的时钟资源可配置性,提出了基于锁相环的时钟同步逻辑设计,搭建了时钟同步采集平台。针对同步采集平台耦合噪声高的问题,本文结合光耦芯片隔绝噪声的特性,提出了解耦电路的设计。最优数字示波器采样时钟频率下,能量迹的单点信噪比的提升率达58.9%。3、为了解决传统的异步旁路信息的非建模方法的低效性,本文提出了同步旁路信息的非建模类旁路攻击方法,研究了非建模类旁路攻击对不同旁路信息的攻击特性。最优数字示波器采样时钟频率下,传统采集的旁路信息的最高相关性绝对值为0.039,同步采集的旁路信息的最高相关性绝对值提升至0.12。4、本文探索了同步旁路信息的机器学习的旁路攻击,利用分类准确度、混淆矩阵、猜测熵等算法的不同评估特性,证明了机器学习对异步旁路信息攻击的局限性。支持向量机的评估结果显示,本文提出的同步采集方法提升了旁路攻击至少15的猜测熵。

关键词：旁路攻击同步采集 FPGA 相关功耗分析机器学习

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针对AES加密算法的安全检测

计算机技术与发展 2022年第5期32卷 87-92,129页

作者：何利文安聪国海轮南京邮电大学江苏南京210003

侧信道攻击(side channel attack, SCA)是一种新兴的密码分析方法,主要通过加密软件或硬件运行时产生的各种泄漏信息获取密文信息,其中相关功耗分析(CPA)是较为强大的一种攻击方法,可以用来实现AES加密算法的安全检测。CPA需要假设猜测... 详细信息

侧信道攻击(side channel attack, SCA)是一种新兴的密码分析方法,主要通过加密软件或硬件运行时产生的各种泄漏信息获取密文信息,其中相关功耗分析(CPA)是较为强大的一种攻击方法,可以用来实现AES加密算法的安全检测。CPA需要假设猜测密钥,然后根据示波器采集到的能量迹,使用具有数据相关性的汉明模型,并计算实际能量值与假设能量消耗之间的皮尔逊相关系数,利用皮尔逊相关系数来判断猜测密钥的正确与否。CPA可以把皮尔逊相关系数的计算结果限制在[-1,1]之间且CPA过程自带标准化,不需要额外对数据进行标准化。此外,还利用python的pandas库和style方法对获得的结果进行刻画,更好地实现了相关系数和正确的密钥之间的关系。本案例使用NewAE Technology Inc的芯片物理攻击平台ChipWhisperer实施CPA攻击来检测加密算法的安全性,成功破解了预设的AES-128的16字节的密钥。实验表明,CPA在针对未加防护的AES加密算法时有显著的效果,可以检测AES加密算法的安全性。

关键词： ChipWhisperer 高级加密标准能量迹相关功耗分析相关系数

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两种抗时间片的攻击方法

四川理工学院学报（自然科学版） 2015年第2期28卷 14-17页

作者：姜海芳王海沛杨威成都信息工程学院应用密码学研究所成都610225 成都信息工程学院信息安全工程学院成都610225

针对插入时间片造成功耗曲线不能对齐,最终造成CPA攻击失败的情况,提出了两种解决方法:POC和时-频转换。POC方法利用相位计算功耗曲线间的波峰位置,得到功耗曲线间的偏移量,根据偏移量将功耗曲线进行对齐。时-频转换方法将时域的实测功... 详细信息

针对插入时间片造成功耗曲线不能对齐,最终造成CPA攻击失败的情况,提出了两种解决方法:POC和时-频转换。POC方法利用相位计算功耗曲线间的波峰位置,得到功耗曲线间的偏移量,根据偏移量将功耗曲线进行对齐。时-频转换方法将时域的实测功耗通过频谱变换,换转成频域的功耗。以SIC90C58AD微控制器为硬件仿真平台,SM4算法为研究对象,对加入了随机时间片的功耗曲线进行POC和时-频转换处理,并进行相关功耗分析攻击,结果显示:使用POC方法,197条功耗曲线可以成功获取SM4密码算法的第一轮轮密钥;使用时-频转换方法,439条功耗曲线可以获取密钥。证明POC和时-频转换方法可以对抗时间片。

关键词：相关功耗分析时间片对抗时-频变换 POC

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