基于查找表的高阶掩码研究及其VLSI硬件实现

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1、理学硕士学位论文基于查找表的高阶掩码研究及其VLSI硬件实现厚娇哈尔滨理工大学2018年3月国内图书分类号:TP309.2理学硕士学位论文基于查找表的高阶掩码研究及其VLSI硬件实现硕士研究生：厚娇导师：姜久兴教授申请学位级别：理学硕士学科、专业：物理学所在单位：理学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex:TP309.2DissertationfortheMasterDegreeinScienceResearchonLook-upTableBasedHigher-OrderMaskingSchemeandVLSIHardwareImplementa

2、tionCandidate：HouJiaoSupervisor：Prof.JiangJiuxingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpecialty：PhysicsDateofOralExamination：March,2018HarbinUniversityofScienceandUniversity：Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于查找表的高阶掩码研究及其VLSI硬件实现》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中

3、除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：厚娇日期：2018年3月29日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《基于查找表的高阶掩码研究及其VLSI硬件实现》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存

4、论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用授权书。不保密。（请在以上相应方框内打√）作者签名：厚娇日期：2018年3月29日导师签名：姜久兴日期：2018年3月29日基于查找表的高阶掩码研究及其VLSI硬件实现摘要高级加密标准（AdvancedEncryptionStandard,AES）具有较好的安全性、效率和灵活性等特点，被广泛应用于信息安全领域。侧信道攻击技术（Side-ChannelAttacks,SCA）的出现对其硬件安全构成了巨大威胁，特别是高阶差分功耗攻击对加密芯片的安全性构成的威胁最大。为了抵御侧信道攻击技术，掩码（一阶和高价掩码）是一种通用而有

5、效的方法。然而，现有的抗功耗攻击的方法都是以牺牲芯片的性能和面积为代价的，在基于查找表的掩码方案中，循环移位S盒掩码方案（RotatingS-BoxMasking,RSM）方案相比于其他方案有较好的安全性和性能，是一个安全性和性能的折中方案。但对于一些面积受限或者对安全性要求高的设备，RSM方案就很难应用到实际中去。因此，如何在提高安全性的同时减少由此带来的性能和面积开销成为抗侧信道攻击领域亟待解决的问题。本文以基于查找表的掩码方案为研究对象，深入分析分组密码S盒的特点，以切实降低掩码复杂度为目的，研究基于查找表的低熵高阶掩码方案。具体工作如下：（1）分析了Nassar等人提出的RSM掩码方案

6、的掩码原理及其局限性，提出了一种低面积复杂度的通用低熵掩码方案，其核心思想是在现有RSM的基础上，采用S盒共用思想降低加密算法的面积复杂度。（2）将所提出的S盒共用掩码方案应用到AES算法上，使其掩码S盒的数量从16个降低为4个（没有考虑密钥扩展操作）。为了提高AES加密算法上的吞吐量，对AES的整体架构进行了流水线设计，提高了算法的执行效率。对于128位的加密数据而言，本设计需要91个时钟周期实现4个128位数据的加密过程，相比于非流水线实现，其加速比为3.47。（3）为了提高系统的安全性，本文采用了乱序（Shuffle）技术，有效解决了RSM方案不能够抵御基于偏移量CPA攻击的问题。采用V

7、erilogHDL对所提出的方案进行建模，采用IntelAltera综合工具进行综合，结果显示S盒共用方案使用的组合逻辑为RSM方案的31%，时序逻辑为RSM方案的40%，存储位为RSM方案的20%。（4）为了评估所设计方案的硬件复杂度，采用SMIC180nm标准工艺库，-I-使用Synopsys公司的DC（DesignCompiler）综合工具进行综合，使用后端工具SOC_encounter进行