[發明專利]一種檢測和抵御差分故障攻擊的方法

有效

• 申請號: 202110483728.4
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113206734B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 韋永壯;張小娜;武小年;李靈琛;張潤蓮
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04L9/40
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 楊雪梅

1.一種檢測和抵御差分故障攻擊的方法，其特征在于，所述方法包括三部分：

(1)構建冗余；

根據原始加密模塊構建冗余加密模塊；

(2)雙重差分故障檢測；

基于消息認證碼方法檢測冗余加密模塊是否存在故障注入，并與原始加密模塊對比檢測原始加密模塊是否存在故障注入，完成雙重差分故障攻擊或差分故障攻擊檢測；

(3)定位故障源及防護；

在確定存在差分故障注入后，基于密文差分值和感染函數檢測目標算法的每一輪密文差分值，定位攻擊者所注入的故障源，并使用隨機數和感染函數對密文差分值進行隱藏實現防護；

所述構建冗余，具體是對某一分組加密算法E進行完全復制為E'，稱E為原始加密模塊，E'為冗余加密模塊；對E和E'分別輸入相同的明文P和密鑰K進行加密，輸出原始密文為C＝E_K(P)，冗余密文為C'＝E'_K(P)；

所述雙重差分故障檢測，具體過程如下：

(2.1)為檢測在冗余加密中是否存在故障注入，在冗余加密模塊中增加一個檢測模塊，用于消息認證碼檢測；

(2.2)在冗余加密前，冗余加密模塊先采用哈希函數根據密鑰K計算E'的明文P的消息認證碼MAC，將MAC(P)發送給檢測模塊，由檢測模塊接收并保存MAC(P)；冗余加密模塊再將明文P與MAC(P)合并在一起記為x作為輸入，進行冗余加密；

(2.3)檢測模塊從冗余加密模塊獲取進行冗余加密后的輸入數據x'，并對輸入數據x'進行數據分離，由于不確定原始的明文信息P是否已經發生改變，將所分離的明文信息記為P'，采用哈希函數和密鑰K計算P'的MAC值，記為MAC(P')；

(2.4)檢測模塊判斷MAC(P)值與MAC(P')值是否一致，若兩者相同，轉(2.5)；若兩者不同，轉(2.6)；

(2.5)若MAC(P)＝MAC(P')，表明冗余加密模塊中信息P沒有被篡改，沒有被注入故障，從而進行正常的加密，在去除消息認證碼后，輸出冗余加密的密文C'＝E'_K(P)，轉(2.7)；

(2.6)若MAC(P)≠MAC(P')，表明冗余加密模塊中信息P被篡改，冗余加密模塊中有故障注入，將存在故障注入的明文信息記為P'，輸出冗余加密的密文C'＝E'_K(P')，轉(2.11)；

(2.7)將原始加密密文C＝E_K(P)和冗余加密密文C'＝E'_K(P)進行異或，得出密文差分值C為原始密文，C'為冗余密文；

(2.8)判斷Δ是否為0，若Δ＝0，轉(2.9)；若Δ≠0，轉(2.10)；

(2.9)若Δ＝0，說明原始加密算法E中也沒有被注入故障，結束檢測；

(2.10)若Δ≠0，說明原始加密算法E中被注入了故障，進入定位故障源及防護的操作(3)；

(2.11)將原始加密密文C＝E_K(P)和冗余加密密文C'＝E'_K(P')進行異或，得出密文差分值

(2.12)判斷Δ是否為0，若Δ＝0，轉(2.13)；若Δ≠0，轉(2.14)；

(2.13)若Δ＝0，說明原始加密算法E中被注入了與冗余加密算法E'相同的故障，即檢測到雙重故障，結束檢測；

(2.14)若Δ≠0，說明原始加密算法E中沒有被注入故障，故障只在冗余加密模塊E'中存在，進入定位故障源及防護的操作(3)；

所述定位故障源及防護，具體過程如下：

(3.1)設加密算法E的總輪數為r輪，從高往低依次檢測加密算法E的每一輪，設置檢測的輪數為i，i＝r-1；(3.2)計算第i輪的密文差分值其中，C_i為原始加密算法E第i輪的加密密文，C_i'為冗余加密算法E'第i輪的加密密文；

(3.3)判斷Δ_i是否為0，若Δ_i＝0，轉(3.4)；若Δ_i≠0，轉(3.5)；

(3.4)若Δ_i＝0，表明所注入的故障在第i+1輪，轉(3.7)；

(3.5)若Δ_i≠0，為防止攻擊者獲取密文差分值Δ_i進行差分故障攻擊，將第i輪的密文感染值輸出并保存，其中，C_i為原始加密算法E第i輪正確加密的密文，Z(·)為感染函數，Δ_i為第i輪的密文差分值，α_i和β_i分別為第i輪的兩個不同的隨機值，i表示檢測的輪數為第i輪；

(3.6)令i＝i-1，轉(3.2)；

(3.7)根據第i+1輪的密文差分值Δ_i+1的值進行比特查詢，找到Δ_i+1中不為0的比特位n，即為加密算法E中被注入故障的比特位，確定定位結果；

(3.8)輸出定位結果，即故障位于第i+1輪的第n個比特位；

(3.9)為避免攻擊者獲取進行故障注入后的密文差分值Δ_i+1，使用隨機數和感染函數對Δ_i+1進行隱藏，輸出第i+1輪的密文感染值其中，C_i+1為原始加密算法E第i+1輪正確加密的密文，Z(·)為感染函數，Δ_i+1為原始加密算法E和冗余加密算法E'在第i+1輪的密文差分值，α_i+1和β_i+1分別為第i+1輪的兩個不同的隨機值，針對被隱藏后輸出的密文感染值，攻擊者將無法進行差分故障攻擊，結束定位過程。