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一种sm4掩码方法和抗DPA攻击分析

密码学报 2016年第1期3卷 79-90页

作者：裴超北京华大信安科技有限公司北京100015

sm4算法在2012年3月被作为密码行业标准公开以后,已经得到了广泛的应用.但与此同时,由于侧信道攻击的出现及利用,sm4算法在被用于智能卡等密码设备时,也面临着严重威胁.针对差分功耗分析攻击(DPA),虽然已经有部分掩码防御方案提出,但是... 详细信息

sm4算法在2012年3月被作为密码行业标准公开以后,已经得到了广泛的应用.但与此同时,由于侧信道攻击的出现及利用,sm4算法在被用于智能卡等密码设备时,也面临着严重威胁.针对差分功耗分析攻击(DPA),虽然已经有部分掩码防御方案提出,但是均是使用有限域上的乘法及求逆运算代替S盒查表法,导致计算量比较大,设计复杂.一些掩码方案由于主要针对S盒变换进行设计,对算法的整体运算覆盖程度不足,也使得sm4算法并未得到全面的防护.本文提出的一种基于S盒查表方法的随机掩码方案,在无需知道和分析sm4算法的S盒的代数结构的情况下,通过对S盒进行一个随机的线性变换,同时结合多路径乘法掩码的特点,达到对算法运行中所有数据掩码的目的,从而抵御DPA攻击.最后本文分别从理论和实际进行攻击实验,得到了针对指定攻击点的具体分析结果.实验结果显示,相比于已有的掩码方案,本文的掩码方法资源消耗少,实现简单方便,代价小,能够有效消除运算时密钥或敏感数据与能量消耗之间的相关性,增强算法的安全性,抵御DPA攻击.

关键词： sm4算法侧信道攻击差分功耗分析攻击

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sm4硬件电路的功耗分析研究

信息网络安全 2018年第5期 52-58页

作者：陈颖陈长松胡红钢中国科学技术大学信息科学技术学院安徽合肥230027 中国科学院电磁空间信息重点实验室安徽合肥230027 公安部第三研究所网络安全研发中心上海200031

sm4是无线局域网产品使用的分组密码算法。文章主要研究对硬件实现的sm4算法的功耗分析方法,提出了一种基于Welch’s t检验和主成分分析的选择明文功耗分析方法,并在ChipWhisperer实验平台上对FPGA上运行的sm4算法进行了实际的攻击实验... 详细信息

sm4是无线局域网产品使用的分组密码算法。文章主要研究对硬件实现的sm4算法的功耗分析方法,提出了一种基于Welch’s t检验和主成分分析的选择明文功耗分析方法,并在ChipWhisperer实验平台上对FPGA上运行的sm4算法进行了实际的攻击实验。实验结果表明,本方法能够有效地减少攻击成功所需要的曲线条数,并降低分析的复杂度。

关键词： sm4算法功耗分析硬件实现 ChipWhisperer

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一种适用于sm4的改进Rsm掩码方案

武汉大学学报（理学版） 2018年第2期64卷 183-188页

作者：马双棚杨晓元钟卫东张帅伟武警工程大学电子技术系

为了增强sm4算法抵御能量分析攻击,提出了一种改进的循环移位S盒掩码（Rsm,rotating S-box masking）算法.该算法采用Rsm掩码与固定值掩码相结合的方法,结合sm4算法本身的加密特性,不需要设计者对掩码进行人工操作,就可以起到循环移位S... 详细信息

为了增强sm4算法抵御能量分析攻击,提出了一种改进的循环移位S盒掩码（Rsm,rotating S-box masking）算法.该算法采用Rsm掩码与固定值掩码相结合的方法,结合sm4算法本身的加密特性,不需要设计者对掩码进行人工操作,就可以起到循环移位S盒的目的,从而有效降低了功率消耗与中间值的关联性.安全性分析表明,本方案可以有效抵御高阶差分能量分析（DPA）攻击,是一个非常匹配sm4算法的掩码方案.

关键词： sm4算法侧信道攻击循环移位S盒掩码差分能量分析 S盒

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面向分组密码算法的混合功耗分析方法

面向分组密码算法的混合功耗分析方法

作者：李金林桂林电子科技大学

学位级别：硕士

分组密码算法在信息安全中具有重要作用,并被广泛应用于密码产品中。但密码产品的安全不仅要求使用的密码算法能抵抗现有的数学分析手段,还要保证实施在物理载体上的安全。侧信道攻击是针对密码算法运行在物理载体上的攻击手段,与数学... 详细信息

分组密码算法在信息安全中具有重要作用,并被广泛应用于密码产品中。但密码产品的安全不仅要求使用的密码算法能抵抗现有的数学分析手段,还要保证实施在物理载体上的安全。侧信道攻击是针对密码算法运行在物理载体上的攻击手段,与数学分析相比,具有代价低、实施手段多样等特点。本文在研究侧信道攻击基本方法的基础上,侧重研究针对sm4算法和AES算法的侧信道攻击、掩码防护及高阶攻击方法,主要内容如下:1、基于现有的侧信道攻击技术,设计并实现一个侧信道攻击与泄露检测系统,主要功能包括数据预处理、DPA、CPA和TVLA等。系统支持HDF5格式文件的导入和处理,并能够对数据进行可视化展示,帮助用户直观了解攻击结果。系统测试结果表明:该系统可以对多种密码算法进行结合数据预处理进行DPA实验、CPA实验和非特异性TVLA实验,并将实验的结果进行可视化。2、给出1种使用选择明文攻击sm4算法硬件实现方式的侧信道攻击方法和1种适合硬件的1阶侧信道安全的sm4算法的门限实现方案。在攻击方法中,通过推导中间值与明文和密钥的关系,得到攻击每个密钥字节选择明文的方式。在防护方案中,通过复合域分解sm4算法的S盒实现,更改轮常量与轮密钥的生成和存储方式,更改线性运算的计算方式,降低sm4算法的硬件实现面积。在此基础上,基于秘密共享与多方安全计算理论,提出2共享门限实现方案,将S盒由1输入变为2输入,通过掩码电路重构和复用加解密与密钥扩展电路的S盒降低实现面积。对sm4算法无掩码实现的CPA结果表明,本文提出的选择明文方法可以有效攻击sm4算法。对sm4算法门限实现方案的安全性测试结果和硬件开销测试表明,本掩码方案能够有效抵抗CPA攻击,并且实现面积相对较低。3、针对仿射和乱序技术实现的secAES掩码方案,提出混合了深度学习和传统方法的侧信道攻击方法。首先,使用卷积神经网络学习secAES掩码方案加密时的16个乘法泄露特征,高概率地恢复每个明文分组加密时使用的乘法掩码字节。其次,在恢复了乘法掩码字节的前提下,使用Scatter攻击方法打破Sub Bytes中乱序执行的保护,执行密钥恢复攻击。也分别基于深度学习和CPA进行密钥恢复。实验显示,在恢复乘法掩码阶段,Dense Net-121能以98.34%的概率恢复每个分组使用的乘法掩码。在恢复密钥阶段,使用深度学习方法可在5条能量迹内恢复所有密钥。与现有的攻击方法相比,本文方法通过将高阶攻击分解为掩码字节恢复和密码算法密钥恢复两个步骤,不需要复杂的高阶攻击就能打破secAES掩码方案的防护,方法简单且易实施。

关键词：侧信道攻击门限实现高阶侧信道攻击 AES算法 sm4算法

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基于随机性特征的sm4分组密码体制识别

计算机应用研究 2021年第9期38卷 2821-2824,2830页

作者：纪文桃李媛媛秦宝东西安邮电大学网络空间安全学院西安710121 西安邮电大学无线网络安全技术国家工程实验室西安710121

对加密算法的识别是进行密码分析的首要工作。目前的识别方案涵盖了分组密码的识别、流密码的识别以及对称密码和公钥密码混合算法的识别。随着国密算法的应用普及,其安全性也备受关注。针对国密算法提出了基于随机性特征的sm4分组密码... 详细信息

对加密算法的识别是进行密码分析的首要工作。目前的识别方案涵盖了分组密码的识别、流密码的识别以及对称密码和公钥密码混合算法的识别。随着国密算法的应用普及,其安全性也备受关注。针对国密算法提出了基于随机性特征的sm4分组密码体制识别,将国密sm4算法与国际主要标准分组密码算法进行识别。利用随机性测试方法对密文进行特征提取,从而得到特征向量,由这些特征向量构成特征空间,最后借助机器学习算法对特征空间进行训练和测试。实验结果表明,sm4与其他分组密码算法的识别率高达90%以上。后续工作可以对分类算法和特征选取两个方向进行突破,来验证密码识别方案的有效性和可行性。

关键词：随机性测试密码体制识别机器学习 sm4算法特征提取

对称加密体制中基于CNN的明文猜测方法研究

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对称加密体制中基于CNN的明文猜测方法研究

作者：王鑫西安理工大学

学位级别：硕士

随着计算机算力的提高和密码学技术的发展,密码破解技术也在不断升级。而现代密码学则主要研究更加复杂的加密算法,如高级加密标准AES算法、数据加密标准DES算法等,传统方法并不适用于这些算法,需要更加复杂的破解方法。现在,人工智能... 详细信息

随着计算机算力的提高和密码学技术的发展,密码破解技术也在不断升级。而现代密码学则主要研究更加复杂的加密算法,如高级加密标准AES算法、数据加密标准DES算法等,传统方法并不适用于这些算法,需要更加复杂的破解方法。现在,人工智能和机器学习等技术已经可以用来提高明文破解的效率和准确性。神经网络是一种模拟人类大脑的计算模型,具有自适应性和学习能力。在密码学领域,神经网络技术可以用于密码的生成、加密、解密、攻击等方面。本文利用神经网络技术,对于对称加密算法展开明文猜测,试图利用神经网络所搭建的网络模型去猜测加密算法中未知的明文数据,提出新的密码破解思路。本文的研究主要包括两个内容:(1)提出基于组合卷积神经网络模型的对称密码明文猜测模型与方法。主要是针对的是当今流行的四种对称加密算法,分别为:高级加密标准AES算法、数据加密标准DES算法、对称块加密Blow-fish算法和流加密RC4算法。具体工作为:设计了由Tensorflow框架所构建的组合卷积神经网络模型,其中的卷积神经网络是由一个全连接层和四个一维卷积层所组成。然后用该模型在特定的场景下对于未知的明文进行猜测,实验结果显示猜测命中率为60%左右。(2)提出基于组合卷积神经网络模型的sm4算法明文猜测方法。主要是针对国密算法中的sm4算法,该算法是一种国产对称加密算法,有很强的密码安全性。用前一章节提出的组合卷积神经网络模型来对其进行猜测,实验结果显示并不理想,对比该算法与之前的对称加密算法的不同,sm4算法中引入了更多的非线性变换,考虑到神经网络不擅长总结非线性因素的特征规律,这或许是其猜测效果差的一种原因,并在随后讨论了在神经网络中非线性变换对于模型的影响,并分析了模型存在的不足之处和其弊端。(3)基于前两项提出的方法,本文还设计了一套面向对称加密算法的猜测模型系统,该系统包括了四个模块,分别是选择算法模块、算法加密模块、猜测模型模块、对比数据模块,利用四个模块的逐步操作来传递数据,最后完成对称加密算法的明文猜测工作,从而为之后的非对称加密算法的猜测模型的可视化提供保障,并且可以促进更加全面地了解猜测工作的意义。

关键词：现代密码学神经网络明文猜测对称加密算法 sm4算法非线性变换

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基于随机故障注入的sm4差分故障攻击方法

计算机工程 2016年第7期42卷 129-133页

作者：荣雪芳吴震王敏杜之波饶金涛成都信息工程大学信息安全工程学院成都610225

现有研究往往要求将故障注入到固定位置的某一字节中,进而获取到特殊的错误密文以实施攻击,然而该假设在实际攻击中难以实现。为此,基于随机故障注入,提出一种sm4差分故障攻击方法。对sm4加密算法的后4轮进行随机故障注入,经简单筛选得... 详细信息

现有研究往往要求将故障注入到固定位置的某一字节中,进而获取到特殊的错误密文以实施攻击,然而该假设在实际攻击中难以实现。为此,基于随机故障注入,提出一种sm4差分故障攻击方法。对sm4加密算法的后4轮进行随机故障注入,经简单筛选得到错误密文,并结合候选密钥筛选方法攻击出后4轮子密钥。通过对无防护sm4算法的智能卡实施该攻击的结果表明,与其他攻击方法相比,该方法可扩大故障注入的范围,提高故障攻击的实用性。

关键词：随机故障注入 sm4算法错误密文筛选差分分析密钥筛选

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抗侧信道攻击的sm4多路径乘法掩码方法

计算机工程 2014年第5期40卷 103-108,114页

作者：谭锐能卢元元田椒陵深圳大学信息工程学院广东深圳518060 国民技术股份有限公司广东深圳518057

sm4是国内于2006年公布的第1个商用的分组密码算法。为提高sm4算法安全性,抵御功耗分析、电磁辐射等侧信道攻击,提出一种抗侧信道攻击的sm4多路径乘法掩码方法。该方法在轮函数中采用多条数据路径,并对引进随机数后的S盒用有限域乘法求... 详细信息

sm4是国内于2006年公布的第1个商用的分组密码算法。为提高sm4算法安全性,抵御功耗分析、电磁辐射等侧信道攻击,提出一种抗侧信道攻击的sm4多路径乘法掩码方法。该方法在轮函数中采用多条数据路径,并对引进随机数后的S盒用有限域乘法求逆变换加以改进,使中间结果与标准sm4算法的中间结果完全不同,从而掩盖sm4加密过程中的所有关键信息,增加侧信道分析的难度。实验结果表明,与标准sm4算法和普通的sm4乘法掩码算法相比,该方法在芯片的功耗和硬件资源增加不大的情况下,能有效消除中间数据所产生的能量消耗,增强算法安全性,可成功抵御各种侧信道攻击。

关键词：侧信道攻击有限域求逆乘法掩码 sm4算法多路径掩码方法

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探析使用国密算法进行个人信息保护

网络空间安全 2023年第5期14卷 22-28+66页

作者：张德强成都市住房和城乡建设信息档案中心

[目的/意义]随着数字经济的高速发展，特别是在国家关于数据安全治理和个人信息保护相关法律法规颁布和实施后，数据安全治理和个人信息保护作为强制性要求得到了进一步巩固和提升。数据信息保护最重要的措施之一就是对数据信息的加密... 详细信息

[目的/意义]随着数字经济的高速发展，特别是在国家关于数据安全治理和个人信息保护相关法律法规颁布和实施后，数据安全治理和个人信息保护作为强制性要求得到了进一步巩固和提升。数据信息保护最重要的措施之一就是对数据信息的加密。信息加密必然会影响信息的使用效率，基于国密算法并兼顾信息使用效率，提出了一种个人信息保护方法。[方法/过程]通过对重要数据信息进行sm3密码杂凑算法、线性变换和异或处理生成“一次一密”密钥，再使用生成的密钥和sm4分组密码算法，对需保护的个人信息进行加密保护。在使用个人信息时，利用个人信息的sm3杂凑值进行精准高效查询，查询到信息后使用密钥进行国密sm4算法解密使用。[结果/结论]基于国密算法的个人信息保护方法，在满足信息使用的业务需求场景下，经过实际使用显示加强和提升了数据和个人信息的保护。

关键词：个人信息保护敏感信息国密算法 sm3算法 sm4算法数据安全治理一次一密