基于ECC算法的智能卡抗功耗攻击研究

论文摘要

相对其它公钥密码,在安全性相同的前提下,ECC(椭圆曲线密码)具有密钥短,存储空间小,处理步骤少等优势,在智能卡领域倍受青睐,已经成为智能卡加密算法的主流技术。如今智能卡已得到广泛应用,而各种针对ECC的攻击手段也随之而来。普通的攻击方法效率很低,甚至在智能卡的寿命期内无效。但是,功耗攻击却是一种相对高效的攻击手段,已经成为智能卡的重大威胁。本文深入研究、分析了ECC算法原理和功耗攻击方法;在此基础上,研究了ECC抗功耗攻击的主要方法与技术;重点研究了智能卡中ECC算法抗功耗攻击的方案,并用数据着重对其执行效率和安全性进行了细致分析说明。基点掩码是ECC算法抗差分功耗分析的主要思想之一,其前导工作是找到椭圆曲线上的一个随机点,相对于以往选取随机点的方法,本文提出了一种新的选取椭圆曲线上随机点的方法,现已申请国家专利,并获得了专利受理号。根据智能卡的计算能力,论文比较了不同坐标系中的计算代价,选用了实现效率最高的坐标系组合对ECC算法抗功耗攻击方案分别进行评估。在此基础上,提出了一种适合智能卡的相对高效的防御方案,并在理论上证明了该方案的正确性。该方案具有高效执行和强安全性兼顾的特点。基于该防御方案,论文通过硬件与软件相结合的方式,在智能卡芯片设计上实现了带防御措施的ECC算法;其中,硬件部分设计了ECC的底层基本运算,并对设计进行了仿真验证;而软件部分设计了ECC的中、上层运算,并通过实际的数据计算对其进行了验证。对论文所提出的防御方案前后的ECC算法,在某智能卡芯片上分别进行了功耗攻击实验验证,采集了芯片工作时的功耗波形,统计了大量的功耗数据,并以此画出了分析结果图;验证结果表明,本文所设计的抗功耗攻击方案能够完全抵御功耗攻击的威胁,从实践上证明了该防御措施的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 智能卡安全性现状
• 1.2 国内外功耗攻击研究进展
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 本文组织结构
• 第二章 ECC 理论及分析
• 2.1 无穷远点和射影平面坐标系
• 2.2 椭圆曲线的几何意义
• 2.2.1 椭圆曲线定义
• 2.2.2 椭圆曲线几何运算
• 2.3 有限域中的椭圆曲线
• 2.3.1 素域中的椭圆曲线
• 2.3.2 二进制域中的椭圆曲线
• 2.4 ECC 基本运算的效率分析
• 2.4.1 素域效率分析
• 2.4.2 二进制与效率分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 ECC 功耗攻击原理及分析
• 3.1 智能卡密码系统
• 3.2 旁路攻击
• 3.3 功耗攻击
• 3.3.1 集成电路功耗模型
• 3.3.2 简单功耗分析
• 3.3.3 差分功耗分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 ECC 抗功耗攻击方案研究
• 4.1 抗SPA 攻击方案
• 4.1.1 点乘中加入伪算法
• 4.1.2 统一点加和倍点算法
• 4.1.3 规则序列窗口NAF 点乘
• 4.2 抗DPA 攻击方案
• 4.2.1 密钥掩码
• 4.2.2 基点掩码
• 4.2.3 其它抗DPA 攻击方案
• 4.3 综合抗功耗攻击方案
• 4.3.1 素域中的方案
• 4.3.2 二进制域中的方案
• 4.4 新的抗攻击方案
• 4.4.1 基本思想
• 4.4.2 方案设计
• 4.4.3 安全性和效率分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 ECC 抗功耗攻击设计与实验
• 5.1 ECC 防御方案实现
• 5.1.1 防御方案验证
• 5.1.2 芯片中的实现
• 5.2 芯片抗功耗攻击实验
• 5.2.1 实验环境
• 5.2.2 抗SPA 攻击实验
• 5.2.3 抗DPA 攻击实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间研究成果