[發(fā)明專利]針對DES第二輪L寄存器翻轉(zhuǎn)的功耗攻擊方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310637160.2
• 申請日: 2013-12-03
• 公開（公告）號: CN103647640A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設計）人: 王喆;王飛宇;韓緒倉;劉劍峰;鄭曉光;高順賢
• 申請（專利權(quán)）人: 北京中電華大電子設計有限責任公司
• 主分類號: H04L9/06
• 分類號: H04L9/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要應用于信息安全領(lǐng)域?qū)χ悄芸ㄐ酒踩砸筝^高的場合中，對DES算法的加密芯片進行抗功耗攻擊測試，提高芯片安全性。

背景技術(shù)

1973年5月15日，美國國家標準局在聯(lián)邦記錄中公開征集密碼體制，這一舉措最終導致了DES的出現(xiàn)。DES由IBM開發(fā)，它是對早期被稱為Lucifer密碼體制的改進。DES在1975年3月17日首次在聯(lián)邦記錄中公布，在經(jīng)過大量的公開討論后，1977年2月15日DES被采納作為用于非國家保密機關(guān)的數(shù)據(jù)加密標準。1980年和1984年，DES分別得到美國標準協(xié)會和國際標準化組織的認可。至今，DES仍是工業(yè)界常用的密碼算法之一。

DES算法的分組長度是64比特，密鑰長度是56比特，屬于Feistel結(jié)構(gòu)密碼，迭代輪數(shù)為16輪。采用DES算法加密時，64比特的明文首先經(jīng)過一個初始置換，然后通過由輪密鑰控制的16輪迭代變換，最后再通過初始置換的逆變換進而得到密文。DES加密芯片也就是能夠?qū)?shù)據(jù)進行DES算法加密的芯片，該芯片經(jīng)常被應用在智能卡中，作為智能卡內(nèi)的數(shù)據(jù)加密模塊，對接收到的數(shù)據(jù)進行加密，使智能卡能夠與讀卡器進行保密性的數(shù)據(jù)交互。

1999年Kocher提出了差分功耗攻擊方法，之后業(yè)界對功耗攻擊方法進行了深入研究。目前對于DES算法的功耗攻擊主要集中在對DES第一輪運算的攻擊上，因此密碼芯片的設計者通常會在第一輪運算中加入一些防護措施，從而隱藏DES第一輪運算的功耗信息。例如，在第一輪運算中加入偽輪運算或者隨機插入延時等，使得攻擊者無法找到第一輪運算的位置。這些防護措施雖然可以起到防御功耗攻擊的效果，但是帶來了額外的成本開銷。為了節(jié)省成本，設計者通常僅在第一輪中加入類似的防護措施。

功耗攻擊的基本原理是，密碼設備的瞬態(tài)功耗與其運算的中間數(shù)據(jù)相關(guān)，而中間數(shù)據(jù)又與密鑰相關(guān)。因此，通過分析密碼設備的瞬態(tài)功耗，可以獲得密鑰信息，從而達到完全破解密鑰的目的。

數(shù)字電路是由若干個相同的邏輯門組成，每個邏輯門的功耗包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分。邏輯門的靜態(tài)功耗相對較小，動態(tài)功耗占邏輯門總功耗的主要部分。動態(tài)功耗主要由邏輯門信號的翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生，當信號由“0”變化到“1”，或者由“1”變化到“0”，即為翻轉(zhuǎn)，邏輯門就會產(chǎn)生功耗。但維持“0”或者“1”不變，即沒有翻轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生功耗。因此，電路運行時產(chǎn)生的功耗與內(nèi)部運行數(shù)據(jù)存在相關(guān)性，功耗攻擊就是利用了這個原理。

為了成功地進行功耗攻擊，找到合適的中間數(shù)據(jù)至關(guān)重要。該中間數(shù)據(jù)越準確地反映芯片內(nèi)部的功耗開銷，功耗攻擊就越容易成功。

從圖中1可以看出，每次DES加密進行16輪運算，輪輸出的中間結(jié)果保存在兩個寄存器中，即L寄存器和R寄存器。L寄存器保存中間結(jié)果的高32位數(shù)據(jù)，R寄存器保存中間結(jié)果的低32位數(shù)據(jù)。在每一次的輪運算中，R寄存器的值與輪密鑰經(jīng)過f函數(shù)的運算，f函數(shù)的輸出再與上一輪L寄存器的值異或，將異或結(jié)果保存在R寄存器中，即為本輪運算輪輸出的低32位；上一輪R寄存器的值寫入L寄存器中，即為本輪運算輪輸出的高32位。反復進行16次上述操作，即完成了DES算法的16個輪運算。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明用功耗攻擊的方法攻擊DES第二輪運算中L寄存器的翻轉(zhuǎn)，解決了在第一輪加入防護措施時無法進行功耗攻擊的問題。

本發(fā)明的內(nèi)容在于發(fā)明了一種針對DES第二輪L寄存器翻轉(zhuǎn)的功耗攻擊方法。本發(fā)明選擇的中間數(shù)據(jù)為DES第一輪運算中R寄存器的變化情況，即第一輪運算前寫入R寄存器的數(shù)據(jù)與第一輪運算后寫入R寄存器的數(shù)據(jù)，二者異或的結(jié)果。通過上述的功耗攻擊原理可知，通過寄存器前后狀態(tài)的異或值可以表征該寄存器的功耗開銷。

本發(fā)明攻擊的對象是DES第二輪運算中L寄存器的翻轉(zhuǎn)，利用上述中間數(shù)據(jù)對DES功耗曲線上執(zhí)行第二輪運算的位置進行功耗攻擊，根據(jù)L寄存器翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的功耗與中間數(shù)據(jù)的相關(guān)性，從而獲得密鑰。

針對DES第二輪L寄存器翻轉(zhuǎn)的功耗攻擊方法，其特征在于用功耗攻擊的方法，利用DES第二輪運算中L寄存器翻轉(zhuǎn)泄露的功耗信息，攻擊DES加密芯片，獲得DES算法的密鑰，具體步驟如下：

a)在固定密鑰的前提下，改變明文對DES加密芯片執(zhí)行多次加密運算，采集每次加密時芯片的功耗，保存功耗曲線和該條曲線對應的明文；