基于FPGA的旁路算法研究及其应用

论文摘要

在计算机和通信技术日益普及和发展的今天，随着电子邮件、电子自动转账支付系统和零售业务网的建立与实现，用户存储的数据和传递的信息增多，信息的安全保护已经不仅仅局限于政治、军事及外交，而是与我们的生活息息相关，并且越来越多的受到人们的重视，加密是保证信息安全的一个行之有效的手段。但是，攻击者可以利用硬件加密设备运行过程中产生的能量消耗、执行时间、电磁辐射等泄露信息获取相应的安全信息。这种旁路攻击技术由于不需要破坏加密设备以及破解效率高等特点，受到了国内外学者的高度重视。研究旁路攻击技术的工作，并提出有效的旁路攻击防御措施是本文工作的重点。本文首先针对现今流行的私钥密码算法AES （高级数据加密标准）和SMS4（我国无线局域网产品使用的密码算法）提出了一种高性能硬件实现方式，这种方法比一般的基于软件平台的实现方法有加密速度快、易实现复杂功能和易于嵌入等优点。使用仿真的方法对实现的AES加密算法进行差分功耗分析，成功分析出算法使用的加密密钥，证明了无保护的加密算法不能抵抗差分功耗攻击。之后，针对算术掩码方法不能同时抵抗差分功耗分析以及Glitch攻击的弱点，提出了一种改进的掩码保护算法。针对AES和SMS4算法中的关键非线性运算S-盒的保护方案，给出了不同的实现方法，详细的介绍了不同方案的具体实现过程及各自的优缺点。分别将其应用在AES和SMS4算法并将其实现在FPGA平台上。通过与其他设计者提出的方案性能进行评估和对比，在保证掩码保护方案的安全性的同时，实验结果证明本文的实现具有较好的吞吐量面积比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 密码学简介
• 1.3 功耗分析技术与相应的防御措施的研究现状
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 本文内容安排
• 第2章 私钥加密算法概述
• 2.1 对称密码算法的设计原则
• 2.2 相关数学知识
• 2.2.1 域的概念
• 2.2.2 有限域及其构造
• 2.2.3 域上的多项式运算
• 2.3 AES--Rijndael 加密算法
• 2.3.1 字节替换 （SubByte）
• 2.3.2 行移位 （ShiftRows）
• 2.3.3 列混合 （MixColumns）
• 2.3.4 加密钥变换（AddRoundKey）
• 2.3.5 密钥扩展 （KeyExpansion）
• 2.4 SMS4 加密算法
• 2.4.1 SMS4 算法的轮函数
• 2.4.2 合成置换
• 2.4.3 密钥扩展
• 2.5 本章小结
• 第3章 功耗攻击及其防御技术
• 3.1 旁路攻击技术
• 3.1.1 时间攻击
• 3.1.2 容错攻击
• 3.1.3 电磁辐射攻击
• 3.1.4 功耗攻击
• 3.2 功耗攻击技术
• 3.2.1 功耗攻击原理及建模
• 3.2.2 简单能量分析技术 （SPA）
• 3.2.3 差分能量分析技术 （DPA）
• 3.2.4 高阶能量分析技术（HO-DPA）
• 3.2.5 脉冲攻击 （Glitch attacks）
• 3.3 功耗攻击防御技术
• 3.3.1 掩码技术
• 3.3.2 乱序技术
• 3.3.3 复制
• 3.3.4 更改算法能耗特征
• 3.4 本章小结
• 第4章 私钥加密算法硬件实现
• 4.1 AES 算法硬件实现和安全性分析
• 4.1.1 AES 算法硬件实现
• 4.1.2 DPA 攻击 AES 加密算法
• 4.2 SMS4 算法硬件设计与实现
• 4.3 本章小结
• 第5章 安全加密算法的实现及性能比较
• 5.1 掩码保护 S 盒加密算法的原理及实现
• 5.1.1 查找表 （LUT）结构
• 5.1.2 RAM 结构
• 5.1.3 查找表和 RAM 结合的方式
• 5.1.4 固定值掩码
• 5.1.5 LUT 和 RAM 分开的结构
• 5.1.6 掩码保护 S-盒实现性能评测
• 5.2 掩码保护 AES 加密算法
• 5.2.1 掩码保护 AES 加密实现
• 5.2.2 掩码 AES 算法实现性能
• 5.3 掩码保护 SMS4 算法实现
• 5.3.1 掩码保护 SMS4 加密实现
• 5.3.2 掩码 SMS4 算法实现性能
• 5.4 掩码保护算法的安全性
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和参加的项目