密碼芯片是密碼算法的載體,用于保護隱私數據,常應用于ATM機、銀行卡、服務器、智能卡等各種設備。在密碼芯片安全問題的研究中,除了對密碼算法的缺陷和漏洞問題研究,旁路攻擊方法的研究也成為了廣大學者的關注的焦點。旁路攻擊方法可利用密碼芯片工作時泄露的物理信息有效破解密鑰,攻擊效果顯著。密碼芯片的旁路攻擊研究是一種風險評估,利于密碼算法的完善,同時利于芯片內部結構及安全性能的優(yōu)化。本文搭建了旁路信息采集系統(tǒng),優(yōu)化了旁路信息的對齊方法,提出了最佳采集策略,以高級加密標準（Advanced encryption standard,AES）和RC4加密算法為目標,分別對電磁分析、功耗分析、模板攻擊、機器學習四類攻擊方法進行了優(yōu)化。論文的主要工作及創(chuàng)新點如下所述。1)針對捕獲的旁路泄露信號存在時間偏移的問題,提出了一種信號對齊方法,以增強攻擊效力。相關對齊法利用兩條曲線片段的相關系數實現曲線的對齊,但是它存在相關系數局部最大的問題,這使得曲線存在局部對齊的現象。因此本文提出了一種雙峰相關對齊法,將雙峰中的一段片段用于數據平移量的確定,另外一個片段用于監(jiān)測后半段曲線的對齊效果。實驗結果證實了相關對齊法... 

【文章來源】：北京郵電大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：128 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１－２論文研究內容??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｃｏｎｔｅｎｔｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｈｅｓｉｓ??ＦＰＧＡ、兩密碼芯片為主要擊目，分組密碼算法和流密碼??

＝［＞?輪密鑰加?＜３＝３?—？＞＿，、＿，、＿??Ｉ?ｓ盒嘗換?１?！二二二二??日月文＿?；?｜第〇輪輪密鑰??；?ｉ??????「?列混合??￣＾一１￣°￣?Ｉ?＾?￣￣?Ｉ??－＾”￣？、￣￣ｆ、—?＃＞！輪＿￥月加丨?Ｉ??第１輪輪密鑰■——?—士…—??ｆ——－ｉ－—，??｜?Ｉ?Ｓ盒七換￣￣?—??！丨行＿換?１?Ｉ?—．一＇￣－—??Ｉ?Ｉ?輪＿“加?ｂ?二二二：二??密：文?第１０輪輪密鑰??圖２－１?ＡＥＳ密碼算法原理圖??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＡＥＳ?ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍ??１）輪密鑰加運算??輪密鑰是由原始密鑰轉換而成，它的基本形式是由４列組成，每列由一個３２位??的比特字構成。輪密鑰加運算是狀態(tài)矩陣中的一列元素與輪密鑰的一個字進行異或運??算。??２）字節(jié)替換??字節(jié)替換是狀態(tài)矩陣的各個元素在有限域Ｇ」Ｆ（２８）中一種非線性運算，此運算可以??看作將Ｓ盒中的數據替換原始數據以滿足數據混淆的目的。其中狀態(tài)矩陣中的某一??字節(jié)的乘法逆元是ｂ７ｂ６－ｂＱ，那么該字節(jié)經過字節(jié)替換后得到新元素ｂ＿７ｂ６－ｂＱ。字節(jié)替??換的矩陣表示形式為：??ｂ，「１?０?０?０?１?１?１?「１－??１?１?０?０?０?１?１?１?ｂ，?１??ｂ２?１?１?１?０?０?０?１?１?ｂ２?〇??ｂ３＇?＿?１?１?１?１?０?０?０?１?ｂ３?〇??ｂ４?￣?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｏ?ｏ?ｏ?ｂ４?？?〇?（２＿１）??ｂ?■?０?１?１?１?１?１?０?０?ｂ５?１??５

第二章基于單片機的電磁分析攻擊策略優(yōu)化??以單片機ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２、ＦＰＧＡ密碼測試電路板ＳＡＫＵＲＡ－Ｇ為主。穩(wěn)壓電源為密??碼設備和放大器提供電源。放大器型號ＬＮＡ－Ｖ１．０，其頻率范圍為：ｌＭＨｚ－２ＧＨｚ，增??益為：３２ｄＢ。電腦與示波器之間通過ＲＳ２３２連接，通過此串口建立通訊機制。數據??傳輸、存儲通過ｐｙｔｈｏｎ與Ｖｉｓｕａｌ?Ｃ＋＋編程實現。??＿＿ｆ＿?ＬＡＮ?Ｌ．電嚴—Ｊ??ｉｉ?“??獻器?ＲＳ２３２???］［?????電賺頭?１加密設備卜￣｜加??穩(wěn)壓電源??圖２－２旁路采集系統(tǒng)框圖??Ｆｉｇｕｒｅ?２－２?Ｂｌｏｃｋ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｉｄｅ?ｃｈａｎｎｅｌ?ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ??２．２．３旁路信息采集方法??以單片機為例對電磁泄漏信息的獲取方法進行詳細的介紹。攻擊目標為單片機??ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２，工作頻率為２３ＭＨｚ，執(zhí)行的加密算法為ＡＥＳ。電磁泄漏信息獲取的??過程如下：??當單片機開始加密時，引腳輸出一個脈沖信號，作為加密開始的標記信號，連接??示波器的通道２，用于觸發(fā)示波器。將電磁探頭固定在密碼芯片上方，采集到的輸出??信號經過放大器放大后與示波器的通道１相連（見圖２－３）。此時調節(jié)示波器的采樣頻??率，最低應滿足奈奎斯特定理，此處選用的頻率為１００ＭＨｚ。以ＡＥＳ算法為例進行闡??述，當單片機執(zhí)行一次加密算法時，會隨機產生一個１６字節(jié)的明文，利用固定的密??鑰（１６個字節(jié)）對明文進行加密，在加密過程中攻擊者利用采集系統(tǒng)獲得到一條相應??的電磁泄漏曲線，同時獲得對應的明文或者密文。??２１??

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于橢圓曲線的改進RC4算法[J]. 陳虹,劉雨朦,肖成龍,郭鵬飛,肖振久.  計算機應用. 2019(08)
[2]基于FPGA的DES算法硬件實現[J]. 武晶晶.  信息通信. 2019(03)
[3]有學習的高階DPA攻擊[J]. 吳震,王燚,周冠豪.  通信學報. 2018(09)
[4]DES加密算法的過程分析研究[J]. 余啟航,李斌勇,楊雄凱,姚瑤.  網絡安全技術與應用. 2018(02)
[5]改進的SM4算法的選擇明文DPA攻擊[J]. 陳佳哲,李賀鑫,王蓓蓓.  清華大學學報(自然科學版). 2017(11)
[6]基于復合混沌序列的動態(tài)密鑰AES加密算法[J]. 閆樂樂,李輝.  計算機科學. 2017(06)
[7]基于ECC算法的SSL協議改進[J]. 楊文軍,孫希杰,王春東,莫秀良.  南開大學學報(自然科學版). 2016(02)
[8]獨立成分分析在電磁攻擊中的應用[J]. 甘罕,張洪欣,李靜,張帆,趙新杰,賀鵬飛.  電波科學學報. 2016(02)
[9]DES對稱加密和解密算法的安全性應用[J]. 常利銘,游青山.  信息安全與技術. 2016(03)
[10]橢圓曲線加密算法在衛(wèi)星通信中的應用[J]. 鄭建宏,周亮.  信息通信. 2016(02)

博士論文
[1]密碼集成電路的非算法抗功耗分析設計方法研究[D]. 李翔宇.清華大學 2005

碩士論文
[1]國密SM4和SM2算法功耗攻擊關鍵技術研究與實現[D]. 張振賓.清華大學 2015



本文編號：3411536