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基于多阶段相关功耗分析的SM4-XTS侧信道分析方法

赵毅强 闫明凯 张启智 高雅 夏显召 郭阳 王耀华 何家骥

何炜琨, 郭双双, 王晓亮, 吴仁彪. 基于Level-II数据和模糊逻辑推理的气象雷达风电场杂波检测与识别方法[J]. 电子与信息学报, 2016, 38(12): 3252-3260. doi: 10.11999/JEIT161031
引用本文: 赵毅强, 闫明凯, 张启智, 高雅, 夏显召, 郭阳, 王耀华, 何家骥. 基于多阶段相关功耗分析的SM4-XTS侧信道分析方法[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(11): 4161-4169. doi: 10.11999/JEIT240183
HE Weikun, GUO Shuangshuang, WANG Xiaoliang, WU Renbiao. Weather Radar Wind Farms Clutters Detection and Identification Method Based on Level-II Data and Fuzzy Logic Inference[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2016, 38(12): 3252-3260. doi: 10.11999/JEIT161031
Citation: ZHAO Yiqiang, YAN Mingkai, ZHANG Qizhi, GAO Ya, XIA Xianzhao, GUO Yang, WANG Yaohua, HE Jiaji. SM4-XTS Side Channel Analysis Method Based on Multi-stage CPA[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(11): 4161-4169. doi: 10.11999/JEIT240183

基于多阶段相关功耗分析的SM4-XTS侧信道分析方法

doi: 10.11999/JEIT240183
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFB3100903)
详细信息
    作者简介:

    赵毅强:男,教授,研究方向为集成电路设计与安全

    闫明凯:男,硕士生,研究方向为集成电路设计与安全

    张启智:男,博士生,研究方向为集成电路设计与安全

    高雅:女,博士生,研究方向为集成电路设计与安全

    夏显召:男,博士,研究方向为汽车集成电路设计与安全

    郭阳:男,教授,研究方向为微处理器设计与芯片安全

    王耀华:男,研究员,研究方向为微处理器设计与芯片安全

    何家骥:男,副研究员,研究方向为集成电路设计与安全

    通讯作者:

    何家骥 dochejj@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN918

SM4-XTS Side Channel Analysis Method Based on Multi-stage CPA

Funds: The National Key Research and Development Plan (2021YFB3100903)
  • 摘要: 带密文挪用的XEX可调分组密码(XTS)被广泛应用于存储加密中,随着大数据计算与新型侧信道分析方法的提出与应用,XTS加密模式的安全性成为一个值得关注的问题。近年来,已有部分研究针对XTS模式进行了侧信道的分析研究,通过确定部分密钥与调整值tweak,进而缩小密钥检索范围,但并没有实现对XTS模式系统的分析。该文提出一种针对SM4-XTS电路的侧信道分析技术,通过结合传统的相关功耗分析(CPA)与多阶段融合的CPA技术,解决了针对调整值模乘迭代导致的二进制数移位问题,从而实现调整值与密钥的精确提取。为了验证这种分析技术的有效性,在FPGA上实现了SM4-XTS加密模块来模拟实际情况中的加密存储器。实验结果表明,在10000条功耗曲线下,该技术可以成功提取目标加密电路的部分调整值与密钥。
  • 图  1  SM4加密算法

    图  2  XTS加密模式结构

    图  3  tweak值迭代示意图

    图  4  第1轮寄存器数据存储情况

    图  5  tweak后96位分析结果图

    图  6  多阶段结合CPA分析效果

    图  7  SM4的rk值CPA分析结果

    图  8  功耗信息采集平台结构图

    图  9  功耗信息采集过程

    图  10  SM4的CPA分析结果示意图

    1  tweak0后96比特分析

     Input: 128-bit PT
     Output: tweak0[95:0]
     1:  ET=PTtweak0
     2:  X1=F_function(ET,rk1)
     3: PowerTrace1=HW(reg\_round1{PT[95:0],X4})
     //采集功耗数据并生成reg_round1保存数据的汉明重量,作为
    分析数据集PowerTrace1
     4: tweak0[95:0]=max(correlation(PowerTrace1,PT))
    下载: 导出CSV

    2  tweak0前32比特分析

     Input: 128-bit PT0
     Output: tweak0[127:96]
     1: ET0=PT0tweak0
     2: X1,0=F_function(ET0,rk1)
     3: for i in range(1,32):
     4:  if (tweaki[127]==0) then
     5:   tweaki=tweaki1<<<1
     6:  else then
     7:   tweaki=(tweaki1<<<1)0x87
     8:  if (PTi[127]==0) then
     9:   PTi=PTi1<<<1
     10: else then
     11:  PTi=(PTi1<<<1)0x87
     12: ETi=PTitweaki
     13: X1,i=F_function(ETi,rk1)
     14: PowerTrace2=HD({ETi1[95:0],X1,i-1},
       {ETi[95:0],X1,i})
     //采集功耗数据并生成寄存器内存储值变化的汉明距离,作为分
     析数据集PowerTrace2
     15: tweak0[127:96]=max(correlation
       (PowerTrace2,PT))
    下载: 导出CSV

    3  Key1分析

     Input: 128-bit PT
     Output: Key1
     1:  ET=PTtweak0
     2:  PowerTrace3=HW(Sbox{ET[95:64]ET[63:32]
       ET[31:0]rk1})
     //采集功耗数据并生成Sbox输出值的汉明重量,作为分析数据
     集PowerTrace3
     3:  grk=max(correlation(PowerTrace3,PT))
     //根据数据集计算相关性最大的rk值,作为grk(guess round
     key)
     4: Key1=Key_exp1(grk)
     //由密钥扩展算法的逆映射计算密钥Key1
    下载: 导出CSV

    表  1  多种方法分析效果

    算法 tweak参数 功耗
    曲线(k)
    攻击效果
    Unterluggauer
    等人[5]
    AES-XTS固定随机值 15 Key1
    Luo[6] AES-XTS固定随机值 20 Key1
    Luo[7] AES-XTS固定随机值 64 数个待选tweak
    Zhu[9] SM4-XTS固定为00 100 Key1
    本文 SM4-XTS固定随机值 50 128bit tweak + Key1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-20
  • 修回日期:  2024-09-10
  • 网络出版日期:  2024-09-28
  • 刊出日期:  2024-11-01

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