基于FPGA加密芯片的DPA實(shí)現(xiàn)與防御研究

曾 輝 ， 李 飛 ， 高獻(xiàn)偉 ， 錢 丹

（1.成都信息工程學(xué)院 四川 成都 610225；2.北京電子科技學(xué)院 電子信息工程系，北京 100070）

近年來功耗分析技術(shù)對密碼芯片的安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，功耗分析屬于旁路攻擊技術(shù)的一種且威脅性最高。而差分功耗分析（DPA）是功耗分析攻擊中的一種主要手段[1]。攻擊者利用通過對硬件加密設(shè)備中的CMOS電路鎖定時產(chǎn)生的動態(tài)能量消耗曲線等邊信道信息進(jìn)行測量和分析，采用非侵入的方式提取設(shè)備的加密密鑰等秘密信息。所以攻擊者者對被攻擊器件不需要有深入地了解就能破解例如DES、AES等加密算法。與傳統(tǒng)破解加密芯片的方法相比，DPA更隱蔽性而且更難防范。密碼芯片應(yīng)用于人們生活中的各個領(lǐng)域，因而對密碼芯片有關(guān)DPA等攻擊技術(shù)的研究很有必要。

為了防范差分功耗分析，以往學(xué)者提出多種抗功耗分析的方法。大致有兩個方向：一種是從硬件條件為出發(fā)點(diǎn)對電路cell級的功耗平均和掩蓋方法進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的措施防止有關(guān)密鑰信息的泄露。但是這些方法法大多需要較大的硬件代價，也需要特殊的后端工具的支持，不易實(shí)現(xiàn)。另外一種就是從軟件條件為出發(fā)點(diǎn)，也就是對加密算法本身進(jìn)行優(yōu)化。其中掩碼技術(shù)（Mask）就是一種主要的手段，在加密過程中引入與實(shí)際處理數(shù)據(jù)不相關(guān)的另外—個變量，從而使加密器件所泄漏的功耗信息與實(shí)際處理數(shù)據(jù)相關(guān)性大大降低。這種方法易于實(shí)現(xiàn)而且能夠很好的防范一階差分功耗攻擊。

文中首先以FPGA為實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)對AES（Advanced Encryption Standard）的加密流程，然后對沒有進(jìn)行防御的AES算法進(jìn)行DPA攻擊，證明DPA等功耗分析攻擊對加密芯片進(jìn)行破解的可行性。然后對AES加密算法的各個流程通過Mask技術(shù)優(yōu)化，以達(dá)到有效地抵御一階或更高階的DPA分析。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明文中防御措施的可行性和正確性，并分析這種方法的不足之處。

1 功耗分析概述

差分功耗分析攻擊的基本思想是通過分析密碼設(shè)備的能量消耗來獲得密鑰[2]。本質(zhì)上這種攻擊利用了兩類能量消耗依賴性：數(shù)據(jù)依賴性和操作依賴性。功耗分析攻擊可分為簡單功耗分析（SPA）和差分功耗分析（DPA）。

簡單功耗分析（SPA）是直接簡單的對密碼算法運(yùn)算時的能量信號做分析，SPA利用對于不同的操作和不同的數(shù)據(jù)，各能量跡各尖峰形狀不同這一特性進(jìn)行攻擊。差分功耗分析（DPA）則是分析能量間的差異性，并從這種差異性來尋求密鑰。DPA分析固定時刻的能量消耗與被處理數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系。因此，DPA攻擊僅僅關(guān)注能量跡的數(shù)據(jù)依賴性。

1.1 差分功耗分析的原理

差分功耗分析攻擊是最普遍的能量分析攻擊，與SPA攻擊相比實(shí)施DPA攻擊需要大量的能量跡。

首先分析一次AES加密操作的能量消耗與明文第一個字節(jié)MSB之間的依賴關(guān)系，記該比特位d（明文第一個字節(jié)的最高有效位）。為了確定d對能量消耗的影響，測量微控制器分別加密1 000個隨機(jī)明文時的能量消耗。這樣可以獲得約500條當(dāng)d=0時加密操作的能量跡，以及約500條當(dāng)d=1時的加密操作能量跡。

確定d對能量消耗影響的一個簡單方法就是計算平均值之差，即分別計算所有d=0時的能量跡的平均值（以1 μs為單位的時間點(diǎn)上對500個能量值進(jìn)行平均）與所有當(dāng)d=1的能量跡的平均值。以獲得一條d=1的平均能量跡和一條d=0的平均能量跡。將這兩條平均能量跡作減法運(yùn)算。可以得到圖1。這些尖峰表明了微控制器能量消耗依賴于d的那些時間。在這些時刻，微控制器所執(zhí)行的指令要么直接對d進(jìn)行處理，要么所處理的某些數(shù)據(jù)依賴于d。

圖1 d=0和d=1時的平均能量跡之差Fig.1 The difference of average energy about d=0 and d=1

由圖1可以看出最大尖峰大概位于76 μs，檢查一下微控制器所執(zhí)行的程序代碼就可以證實(shí)在這一時刻加載了明文的第一個字節(jié)，值d是該字節(jié)的MSB，加載操作的能量消耗對d有很強(qiáng)的依賴性。因此利用這一特性就可以確定微控制器使用的密鑰。

1.2 密鑰猜測的理論依據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)

對于兩個獨(dú)立的樣本空間（X1，…，Xn）和（Y1，…，Yn），且Xi～N（μx，σ），Yi～N（μy，σ）。 對于假設(shè) μx－μy=0 和 μx－μy≠0有3種概率分布的可能性，其中一種是驗(yàn)證假設(shè)對真實(shí)值的影響大小。如假設(shè)正確，真實(shí)值和假設(shè)之間必然有一定的聯(lián)系并使用下述模型表示。樣本期望和方差是DPA攻擊的兩種假設(shè)檢驗(yàn)的方法。協(xié)方差σxy和相關(guān)度ρ（x，y）分別表示為=E（XY）－E（X）E（Y）對于獨(dú)立隨機(jī)變量X和Y，ρ（X，Y）=0。 對于普通隨機(jī)變量變量 X和 Y，使用假設(shè)H0:ρ=0和H1:ρ≠0，即被稱為計算樣本集差異的相關(guān)性方法。最常用的距估計是用樣本均值來估計總體均值E（X），即E攻擊者通常使用T測試比較H0和H1來確定，如果密鑰選擇正確，則測得的軌跡應(yīng)存在統(tǒng)計差別，具體表現(xiàn)為軌跡上有明顯的尖峰。

1.3 差分功耗分析的攻擊步驟

由上可知這種DPA攻擊利用統(tǒng)計學(xué)方法來破解密鑰是一種很強(qiáng)有力的邊道攻擊技術(shù)。

DPA攻擊存在一種一般性的攻擊策略。該策略包括5個步驟：

第一步：選擇所執(zhí)行算法的某個中間值。這個中間值必須是一個函數(shù)f（d，k），其中k是密鑰的一小部分。在大部分攻擊場景中，d不是明文就是密文（解密過程）。滿足這個條件的中間值可用于恢復(fù)k。

第二步：測量能量消耗。測量密碼設(shè)備在加密或解密時的能量消耗。

第三步：計算假設(shè)中間值。攻擊的下一步是對于每一個可能的k值，計算對應(yīng)的假設(shè)中間值。

第四步：將中間值映射為能量消耗值。v=0和v=1。

第五步：比較假設(shè)能量消耗值和能量跡。

2 DPA對AES加密算法的實(shí)現(xiàn)

2.1 AES加密算法概述

AES是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)[3]。AES算法分組長度為128 bit，密鑰長度可分別為128 bit/192 bit/256 bit，文中以128 bit密鑰長度的AEB為例來說明。AES算法的加密和解密過程分別有10輪迭代，加密過程每一輪迭代包括字節(jié)代換（ByteSubstitute）、行移位（ShiftRow）、列混 淆（MixColumn）、輪密鑰加（RoundKey）4 個步驟，但最后一輪沒有列混合；解密過程每一輪迭代包括行移位（ShiftRow）求逆、字節(jié)代換（ByteSubstitute）求逆、輪密鑰加（RoundKey）、列混淆（MixColumn）求逆4個步驟，但最后一輪不包括列混合求逆。種子密鑰擴(kuò)展生成輪迭代所需要的10組子密鑰。AES算法的加密與解密流程如圖2所示。

圖2 AES算法加解密過程Fig.2 AES encryption algorithm process

2.2 AES加密算法實(shí)現(xiàn)

為了下文進(jìn)行DPA攻擊測試，首先要做的就是基于FPGA的AES加密算法的實(shí)現(xiàn)。文中采用Altera公司的CycloneⅡ系列中的EP2C8Q240C8作為AES加密和DPA攻擊對象，在QuartusⅡ8.1軟件中通過使用verilog硬件描述語言編寫程序完成AES加密操作。加密平臺可具體分為5個模塊：串口接收模塊、8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)32位數(shù)據(jù)模塊、AES加密模塊、32位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)8位數(shù)據(jù)模塊和串口發(fā)送模塊，AES加密模塊又包含S盒變化模塊、輪函數(shù)模塊和密鑰擴(kuò)展模塊。由于EP2C8Q240C8資源有限，只有8 256個邏輯資源和138個用戶可分配管腳，所以設(shè)計為用32位數(shù)據(jù)作為AES加密模塊的輸入經(jīng)4次輸入得到128位數(shù)據(jù)然后進(jìn)行加密。

5個模塊其中串口接收模塊、8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)32位數(shù)據(jù)模塊、32位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)8位數(shù)據(jù)模塊和串口發(fā)送模塊這4個模塊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通信模塊用于實(shí)現(xiàn)FPGA與計算機(jī)之間的通信，AES加密模塊是實(shí)現(xiàn)對明文加密。圖3為AES加密算法的頂層模塊原理圖。

圖3 AES加密算法頂層模塊原理圖Fig.3 AES encryption algorithm top-level module

經(jīng)編譯、綜合完成后，對此頂層模塊進(jìn)行仿真。通過QuartusⅡ8.1自帶的仿真工具可以對算法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)明文（16進(jìn)制）為00112233445566778899AABBCCDD EEFF，初始密鑰（16進(jìn)制）為 0001 0203 0405 0607 08090A0B 0C0D 0E0F，得到的密文（16進(jìn)制）是 69C4 E0D8 6A7B 0430 D8CD B780 70B4 C55A。加密仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 AES加密算法仿真結(jié)果Fig.4 AES encryption algorithm simulation results

從仿真圖中可以看出仿真結(jié)果完全正確，下一步下載到FPGA芯片中進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。FPGA芯片通過RS一232連接到計算機(jī)，再通過串口調(diào)試軟件輸入明文和密鑰，經(jīng)數(shù)據(jù)接收模塊發(fā)送到FPGA密碼芯片中，經(jīng)過加密后，密文經(jīng)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送到計算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)加密結(jié)果的輸出。如圖5功能實(shí)現(xiàn)所示。

2.3 AES加密算法的DPA攻擊實(shí)現(xiàn)

首先，建立如圖6所示實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖6為DPA攻擊系統(tǒng)的整體框圖，主要分為3個模塊：FPGA模塊、示波器模塊和PC模塊。

1）FPGA模塊 該模塊也就是3.2節(jié)中基于FPGA的AES加密實(shí)現(xiàn)，可以執(zhí)行AES的加密操作。電源兩端串接一個50 Ω抗噪電阻用于數(shù)據(jù)采集過程的容性負(fù)載，用于測量FPGA在執(zhí)行加密操作時所產(chǎn)生的功耗波形。

圖5 AES加密算法功能實(shí)現(xiàn)Fig.5 AES encryption algorithm functions

圖6 DPA攻擊系統(tǒng)的整體框圖Fig.6 Block diagram of DPA attack system

2）示波器模塊 采用雙通道的數(shù)字示波器來采樣FPGA所產(chǎn)生的功耗波形，CH1接收電阻R上的電壓波形，CH2接收FPGA給出的觸發(fā)信號，作為采樣的Trigger信號。采樣得到的波形數(shù)據(jù)存儲在示波器中，通過通訊模塊與PC之間傳輸數(shù)據(jù)。

3）PC模塊 PC機(jī)主要完成對示波器的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的傳輸，它通過RS232串口與示波器建立起數(shù)據(jù)傳輸。所有的命令與數(shù)據(jù)的傳輸都是通過Visual C++編程，并調(diào)用TekVISA的API函數(shù)完成。示波器采集得到的波形數(shù)據(jù)由PC機(jī)讀取，并以文件形式存儲。最后由Matlab完成數(shù)據(jù)的分析和后期處理。

攻擊平臺建立完成后，然后選擇攻擊模型，采用基于異或操作的DPA攻擊模型[4]。在AES的第0回合執(zhí)行輪密鑰加（S=d⊕k），其表示明文的第一個字節(jié)d與密鑰的第一個字節(jié)k進(jìn)行異或運(yùn)算后存回S，而這種執(zhí)行異或運(yùn)算所遺漏的信息。所以有DPA攻擊的弱點(diǎn)存在，我們可以此來破解密鑰k。如下DPA具體的攻擊步驟:

1）輸入明文為d。

2）設(shè)明文的第i位記為 di。

3）向FPGA加密模塊輸入明文進(jìn)行加密并返回密文給PC。

4）若di=0，則將這指令執(zhí)行時所產(chǎn)生的能量消耗信號放到集合S0；反之，若di=1，則將這指令執(zhí)行時所產(chǎn)生的能量消耗信號放到集合S1。

5）重復(fù) 1～4，輸入明文 N 次。

6）將集合S0與集合S1內(nèi)所收集到的能量跡分別做平均值計算得S0、S1。

7）計算明文差分值Δd=S0-S1，同時也會衍生密文差分值 Δs。

8）觀察 Δd與 Δs差異圖，若尖峰不同向（一正一負(fù)），則表示所猜測密鑰的第i位（bit）是1；反之，若尖峰是同向，則表示所猜測密鑰的第i位（bit）是0。

9）如此反復(fù)的做1～8步驟，直到Key長度的所有位被統(tǒng)計出來。

經(jīng)由上述描述后可以轉(zhuǎn)成算法來表達(dá)，其中第07列即是上述步驟7的意思。若要繼續(xù)破解下一個bit時，只要重做算法即可一一破解。我們以實(shí)驗(yàn)展示破解bit=1與bit=0的能量消耗圖的結(jié)果。

在AES算法無任何防護(hù)的情況下，根據(jù)上述步驟對AES的加密過程進(jìn)行功耗測量分析，可以得到的差分功耗分析曲線如圖7、8所示。

圖7 尖峰不同表示1Fig.7 Peak different said 1

圖8 尖峰相同表示0Fig.8 Peak different said 0

3 功耗分析體系結(jié)構(gòu)級防御對策

目前國內(nèi)外有關(guān)DPA的主要防御措施包括隱藏技術(shù)和掩碼技術(shù)[5]。任何防御對策的目標(biāo)都是使密碼設(shè)備的能量消耗不依賴于設(shè)備所執(zhí)行的密碼的中間值。文中主要通過掩碼技術(shù)對密碼設(shè)備進(jìn)行防御，通過隨機(jī)化密碼設(shè)備所處理的中間值來實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。這種方法的其中一個優(yōu)點(diǎn)就是可以在算法級實(shí)現(xiàn)，并且不必改變密碼設(shè)備的能量消耗特性。

3.1 掩碼技術(shù)概述

隨機(jī)數(shù)m對每一個中間值v進(jìn)行變化，即vm=v*m.運(yùn)算*多為布爾異或運(yùn)算、模加運(yùn)算或模乘運(yùn)算，隨機(jī)數(shù)m即稱為掩碼。通常掩碼直接應(yīng)用于明文或者密鑰。一個典型的掩碼方案需要詳細(xì)說明如何對所有中間值進(jìn)行掩碼操作，以及在算法執(zhí)行過程中如何應(yīng)用、消除和改變掩碼。非常重要的一點(diǎn)就是要保持每一個中間值在計算過程中始終處于被掩碼狀態(tài)。

3.2 掩碼技術(shù)安全性證明

在布爾掩碼中，vm=v⊕m通過此式可以得出給定通vm和m就可以計算出中間值[6]v。換句話說可以用兩個共享因子（vm，m）來表示中間值v。只有同時獲得兩個共享因子，才能確定v，只給定兩個共享因子中的任何一個，不會泄露關(guān)于v的任何信息；再則每一個掩碼中間值vm均與v和m相互獨(dú)立，則掩碼可抵御一階DPA攻擊的安全。因此一個掩碼能抵御一階DPA攻擊，采用n個掩碼可以抵御n階DPA攻擊。

但是多個掩碼應(yīng)用于同一個中間值，以及跟蹤多個共享因子都會增加實(shí)現(xiàn)開銷。對共享因子的存儲和計算需要更大的存儲單元以及更長的計算時間。出于對實(shí)現(xiàn)性能的考慮，對每一個中間值都采用一個新掩碼并不明智。因此，為了獲得合適的性能以及安全性，需要仔細(xì)選擇掩碼的數(shù)量。

3.3 防御對策的軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)算法的功能模型在2.2節(jié)中AES實(shí)現(xiàn)的5個模塊中添加隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊。該模塊產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)對AES輪變換的4個操作進(jìn)行掩碼操作。

在加密開始時，將明文掩碼md與明文d進(jìn)行異或，將密鑰掩碼mk與第一輪子密鑰k進(jìn)行異或。

1）字節(jié)替換 由于這一操作是非線性的，即Sbox（S⊕f）≠Sbox（S）⊕Sbox（F），所以要用一個掩碼型 S盒來實(shí)現(xiàn)這一操作。 掩碼型 S 盒要滿足 Sbox（S⊕f）=Sbox（S）⊕Sbox（F）。

2）行移位 此操作就是將狀態(tài)中的各個字節(jié)移動到不同的位置，所以此處算法狀態(tài)的所有字節(jié)都使用同一個掩碼。

3）列混合：為了確保所有的中間值都被掩碼，此處算法的每一行都采用一個單獨(dú)的掩碼[7]。

4）密鑰擴(kuò)展 用了帶掩碼的新字節(jié)替代掉密鑰擴(kuò)展中使用的字節(jié)替換，其他過程與AES加密過程相同。

掩碼處理在計算時間上開銷往往很高，約有三分之一的運(yùn)行時間消耗在掩碼預(yù)計算上。但就安全性上來講，這種典型的掩碼實(shí)現(xiàn)能有效地防范DPA的攻擊。再次用DPA攻擊經(jīng)過掩碼后的AES加密算法可以得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 使用掩碼后的DPA攻擊Fig.9 DPA attack masked AES

4 結(jié)束語

文章首先對功耗分析攻擊進(jìn)行了全面綜述。然后在FPGA平臺下實(shí)現(xiàn)了DPA對AES加密算法的攻擊，最后提出了針對這一攻擊的防御措施，結(jié)果證明這一措施能有效防御DPA攻擊，但是掩碼技術(shù)勢必會降低AES加密算法的執(zhí)行效率，再則針對高階DPA攻擊還沒能做到有效防范，有待進(jìn)一步提出針對高階DPA攻擊的防范措施。

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[2]李超，孫兵，李瑞林.分組密碼的攻擊方法與實(shí)例分析[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

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[4]徐光輝，程東旭，黃如.基于FPGA的嵌入式開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]陳魯生，沈世鎰.現(xiàn)代密碼學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

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