高级数据加密标准的功耗分析及防范方法研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 分组密码的基本概念
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 AES设计原理及算法优化设计研究现状
• 1.2.2 AES安全分析研究现状
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 AES的设计原理和策略
• 2.1 有关符号表示及数学运算
• 2.1.1 有关符号表示
• 2.1.2 数学运算
• 2.2 设计原理
• 2.2.1 轮变换
• 2.2.2 轮密钥扩展方案
• 2.2.3 解密算法
• 2.3 设计策略
• 第三章 差分功耗分析
• 3.1 功耗泄漏模型
• 3.1.1 基于汉明重量的功耗模型
• 3.1.2 基于汉明距离的功耗模型
• 3.2 一阶差分功耗分析
• 3.2.1 差分功耗分析基本原理
• 3.2.2 概率相关因子
• 3.2.3 D函数的选择
• 3.2.4 奇异峰值（ghost peak）现象
• 3.3 N阶差分功耗分析
• 3.3.1 一阶差异能量攻击与二阶差异能量攻击的比较
• 3.3.2 仿真实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 相关功耗分析及其基于Walsh谱方法研究
• 4.1 相关功耗分析
• 4.1.1 数字特征
• 4.1.2 理论依据
• 4.1.3 相关系数估计
• 4.1.4 仿真实验结果
• 4.2 基于WALSH谱的功耗研究方法
• 4.2.1 基本定义
• 4.2.2 基于Walsh谱的功耗分析建模
• 4.2.3 功耗分析与非线性度的关系
• 4.2.4 针对AES的功耗分析仿真实验结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 防范功耗分析的方法研究
• 5.1 针对AES的MASK防范方法
• 5.2 针对AES的布尔遮盖法
• 5.2.1 随机值遮盖法
• 5.2.2 定值遮盖法
• 5.2.3 简化的定值遮盖法
• 5.3 针对AES非线性部件的乘法遮盖法
• 5.3.1 乘法遮盖法
• 5.3.2 改进的乘法遮盖法
• 5.4 防范HODPA攻击的改进型遮盖法
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要研究成果