对于一种aes 算法的快速模板攻击方法

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1、对于一种AES算法的快速模板攻击方法0引言　　随着密码学的不断发展和大规模集成电路技术的普及，银行卡、公民卡、身份证等嵌入式密码芯片被广泛地应用于电子商务、通信和认证等领域。自然地人们也越来越关注其中可能存在的安全问题，密码芯片的安全性主要取决于芯片中的密码算法和它的实现方式。传统的密码分析学主要使用代数的方法来找出密码算法中的漏洞，从而实现密码芯片的破译，而侧信道攻击的原理与之有所不同，侧信道攻击者主要通过芯片的泄漏信息和物理特性，以获得芯片内部的敏感信息，这些方法大大弥补了传统攻击的不足。　　由于功耗信息的独特优势，如可测性强，工具简单以及具有良好的统计分析特性等，功

2、耗分析攻击已成为在实际攻击中使用最广泛的侧信道攻击方法。随着研究的不断深入，各种新的攻击技术，如模板攻击，相关分析攻击，碰撞攻击已经被相继提出，其中，模板攻击由于其效率高，易于实现和所需的资源较少成为了当前研究的重点。模板攻击方法首先由Chari等人在2002年CHES会议上提出。随后，在2005年Agrabeau等人提出了一种新的理论，通过选择适当的兴趣点来降低样本的空间大小，从而减少模板攻击的计算复杂度。　　简单来说，模板攻击首先需要构造一个模板，该模板要具有加密算法密钥空间的信息泄露特征，然后根据一个或有限个的泄露信息，来找出最佳的匹配模板，并最终推断出最有可能正确

3、的密钥或减少攻击所需的密钥猜测空间。本文搭建了一个基于密码芯片的侧信道功耗采集平台，采集了mage16密码芯片在加密处理过程中的功耗信息，并在这些工作的基础上，研究了针对AES算法实施模板DPA攻击的可能性。最后通过对一条侧信道数据的模板刻画，成功地恢复了正确密钥。从理论意义上来讲，本文的成果将进一步填补国内对于模板攻击的研究空白。以实验为基础，我们从理论上说明了模板攻击对密码芯片进行侧信道攻击的优越性，从而为其他密码学领域从业人员提供了一定的参考和借鉴。　　1基于模板的DPA攻击　　1.1DPA技术　　DPA是功耗分析攻击中的最常用的攻击方法，因为攻击者不需要知道被攻击

4、设备的具体细节，而且即使是针对混有较多噪音的功耗轨迹，这种攻击仍然可以成功恢复被攻击设备的敏感信息。在DPA攻击中，我们假设攻击者拥有一定的被攻击设备的功耗轨迹，并使用一个简单的功耗消耗模型将假想的功耗值V映射为假想的中间值H，如比特模型，汉明重量模型，汉明距离模型或ZV模型。显然，只有当功率消耗模型和实际的能量消耗相匹配时，才能进行有效地攻击。文献总结了DPA攻击的一般步骤。　　a)选择中间值，在本文中，我们以SubBytes操作的输出值作为攻击点。　　b)获得功耗轨迹，本文中用数字存储式示波器来实现。　　c)计算中间值。　　d)计算假设的功耗值，我们使用汉明重量模型。

5、　　e)估算相关性，并重建密钥。　　1.2基于模板的DPA攻击　　在文献中，Chari等人发现使用多元统计法可以实现更强大的攻击效果，他们展示了如何应用这种方法攻击RC4算法，这是第一次有人提出模板攻击这一概念。如果一个DPA攻击中，攻击者还可以根据模板来刻画设备的功耗消耗，这就是所谓的基于模板的DPA攻击，它是目前最强大的DPA攻击方法。基于模板的DPA攻击首先由Agra位。　　2.2模板构建与模板匹配　　如果我们使用由均值向量m和协方差矩阵C组成的多元高斯分布来表征侧信道功率消耗数据，将C称之为一个模板。模板攻击依赖于这一事实，即只有当数据涉及到加密操作，侧信道信息才

6、有可能被泄露，这意味着侧信道信息取决于被处理的数据。不同于其他的侧信道攻击，模板攻击通常是由2个阶段进行组成的：第一阶段是对侧信道信息的描述(也称为模板构建);第二阶段是基于第一阶段的攻击(也称为模板匹配)。　　3对AES算法的模板DPA攻击　　AES是基于有限域迭代的加密算法，它具有三个不同的版本，根据密钥长度的不同，可分为密钥长度128bit的AES-128，密钥长度192bits的AES-192和密钥长度256bits的AES-256。三个版本仅在密钥扩展算法和加密轮数上有差异。本文以AES-128作为目标实施攻击。　　在实际的攻击中，在估算能量迹多元正态分布的均值

7、向量和协方差矩阵时，传统的模板DPA攻击面临一些难以解决的问题：　　(1)计算量大，协方差矩阵的大小与样本点数量的平方成比例，如本文的25000点，若直接用于模板攻击，会导致计算复杂度过高;　　(2)所需模板数量多，AES-128算法的密钥空间是2128，所以攻击者需要建立2128个模板。显然，非常有必要找到一种更加高效的模板构建策略。　　4结束语　　本文以AES算法的S盒输出值作为模板DPA攻击的中间值。根据相关系数精确地选择兴趣点，构建了基于汉明重量模型的简化型模板，本方法大大降低了传统模板攻击的计算复杂度。同时，我们还优