近幾年來(lái)，針對(duì)密碼算法的DPA攻擊得到越來(lái)越多的關(guān)注。通過對(duì)設(shè)備的功耗進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，密碼設(shè)備在執(zhí)行相同指令的情況下，功耗與參與運(yùn)算的密鑰有一定的關(guān)系。攻擊者利用這種關(guān)系對(duì)采集到的能量跡進(jìn)行DPA攻擊，可以分析出密鑰[1-3]。

    為了防御DPA攻擊，一種有效的技術(shù)是對(duì)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)掩碼，也稱為信息盲化[4]。加了掩碼的數(shù)據(jù)在進(jìn)行密碼運(yùn)算時(shí)，包含密鑰信息的中間數(shù)據(jù)被掩碼保護(hù)起來(lái)，因此能夠抵抗一階DPA攻擊。然而這種防御技術(shù)仍然可以用高階DPA進(jìn)行攻擊。相對(duì)一階DPA攻擊來(lái)說(shuō)，高階DPA需要攻擊者了解更多的算法實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并且需要選擇恰當(dāng)?shù)墓裟Ｐ?，所以攻擊過程也比一階DPA復(fù)雜得多。
1 能量泄露模型和DPA攻擊原理
1.1 能量泄露模型
    設(shè)備的功耗可以通過在設(shè)備的GND管腳和地之間插入一個(gè)電阻，然后用示波器測(cè)量電阻兩端的電壓變化來(lái)獲得。為了建立能量泄露模型，用P[t]表示設(shè)備在特定t時(shí)刻的功耗。P[t]可以分成兩部分，第一部分是與運(yùn)算相關(guān)的功耗d[t]，第二部分是所有與運(yùn)算無(wú)關(guān)的功耗n，包括常量部分以及各種噪聲。因此P[t]可以表示為[5]：
 

    從表1可以看出，在泄露漢明重量的情況下，使用絕對(duì)差組合函數(shù)能達(dá)到更好的效果。

2 掩碼技術(shù)和高階DPA攻擊
2.1 掩碼技術(shù)原理
    掩碼技術(shù)的核心思想是使密碼設(shè)備的功耗不依賴于設(shè)備所執(zhí)行的密碼算法的中間值。掩碼技術(shù)通過隨機(jī)化密碼設(shè)備所處理的中間值來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。掩碼方案可以用下式來(lái)表示：
    

2.3 變形掩碼方案的高階DPA攻擊
    在上述掩碼方案中，整個(gè)加密過程每個(gè)中間值都帶著掩碼，因此可以抵抗一階DPA攻擊。掩碼方案為了保證每輪運(yùn)算的結(jié)構(gòu)相同，在輪運(yùn)算結(jié)束時(shí)通過非線性的SBOX變換將掩碼重新設(shè)置為每輪開始的的掩碼值X132-63。

    在同時(shí)攻擊12 bit子密鑰時(shí)，密鑰組合為212個(gè)，即需要攻擊4 096個(gè)假設(shè)密鑰。
3 高階DPA攻擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    基于以上分析，對(duì)FPGA上實(shí)現(xiàn)的帶變形掩碼方案的DES算法進(jìn)行了攻擊實(shí)驗(yàn)。首先在DES運(yùn)算過程中采集2 000條能量跡，在該能量跡上可以清晰地識(shí)別出每輪DES運(yùn)算過程，如圖4所示。

    為了抵抗DPA攻擊，掩碼技術(shù)越來(lái)越多地被采用。但掩碼方案可能受到高階DPA的攻擊，因此在設(shè)計(jì)掩碼方案時(shí)，需要充分考慮抵抗高階DPA攻擊的措施。本文首先介紹了能量泄露模型以及一階和高階DPA的攻擊原理。然后結(jié)合變形掩碼方案，從理論上證明可以采用二階DPA實(shí)施攻擊，并且論述了組合函數(shù)的選擇以及在攻擊中提高信噪比的方法。本文最后在FPGA上對(duì)掩碼方案的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了攻擊實(shí)驗(yàn)，并成功獲得密鑰。
參考文獻(xiàn)
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