文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)10-0056-03
近幾年來，針對密碼算法的DPA攻擊得到越來越多的關注。通過對設備的功耗進行分析發現，密碼設備在執行相同指令的情況下，功耗與參與運算的密鑰有一定的關系。攻擊者利用這種關系對采集到的能量跡進行DPA攻擊，可以分析出密鑰[1-3]。
為了防御DPA攻擊，一種有效的技術是對參與運算的數據進行隨機掩碼，也稱為信息盲化[4]。加了掩碼的數據在進行密碼運算時，包含密鑰信息的中間數據被掩碼保護起來，因此能夠抵抗一階DPA攻擊。然而這種防御技術仍然可以用高階DPA進行攻擊。相對一階DPA攻擊來說，高階DPA需要攻擊者了解更多的算法實現細節，并且需要選擇恰當的攻擊模型，所以攻擊過程也比一階DPA復雜得多。
1 能量泄露模型和DPA攻擊原理
1.1 能量泄露模型
設備的功耗可以通過在設備的GND管腳和地之間插入一個電阻，然后用示波器測量電阻兩端的電壓變化來獲得。為了建立能量泄露模型，用P[t]表示設備在特定t時刻的功耗。P[t]可以分成兩部分，第一部分是與運算相關的功耗d[t]，第二部分是所有與運算無關的功耗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，使用絕對差組合函數能達到更好的效果。
2 掩碼技術和高階DPA攻擊
2.1 掩碼技術原理
掩碼技術的核心思想是使密碼設備的功耗不依賴于設備所執行的密碼算法的中間值。掩碼技術通過隨機化密碼設備所處理的中間值來實現這個目標。掩碼方案可以用下式來表示：
2.3 變形掩碼方案的高階DPA攻擊
在上述掩碼方案中，整個加密過程每個中間值都帶著掩碼，因此可以抵抗一階DPA攻擊。掩碼方案為了保證每輪運算的結構相同，在輪運算結束時通過非線性的SBOX變換將掩碼重新設置為每輪開始的的掩碼值X132-63。
在同時攻擊12 bit子密鑰時，密鑰組合為212個，即需要攻擊4 096個假設密鑰。
3 高階DPA攻擊實驗驗證
基于以上分析，對FPGA上實現的帶變形掩碼方案的DES算法進行了攻擊實驗。首先在DES運算過程中采集2 000條能量跡，在該能量跡上可以清晰地識別出每輪DES運算過程，如圖4所示。
為了抵抗DPA攻擊，掩碼技術越來越多地被采用。但掩碼方案可能受到高階DPA的攻擊，因此在設計掩碼方案時，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。然后結合變形掩碼方案，從理論上證明可以采用二階DPA實施攻擊，并且論述了組合函數的選擇以及在攻擊中提高信噪比的方法。本文最后在FPGA上對掩碼方案的硬件實現進行了攻擊實驗，并成功獲得密鑰。
參考文獻
[1] KOCHER P，JAFFE J，JUN B.Introduction to differential power analysis and related attacks[A].Cryptography Research Inc.，1998.
[2] KOCHER P，JAE J，JUN B.Differential power analysis[C]. In Proceedings of CRYPTO'99，Springer-Verlag，1999.
[3] MESSERGES T S，DABBISH E A，SLOAN R H,Investigations of power analysis attacks on smartcards[C].In Proceedings of the USENIX Workshop on Smartcard Technology，Chicago，1999.
[4] AKKAR M L，GIRAUD C.An implementation of DES and AES secure against some attacks[C].In Proceedings of CHES'2001，Springer-Verlag，2001.
[5] BRIER E，CLAVIER C，OLIVIER F.Correlation power analysis with a leakage model[C].In Cryptographic Hardware and Embedded Systems-CHES 2004，Springer-Verlag，2004.
[6] MESSERGES T S.Using second-order power analysis to attack DPA resistant software[C].In Proceedings of CHES’ 2000，Springer-Verlag，2000.