基于布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼的安全設計*

饒金濤，李 軍，何衛(wèi)國

0 引 言

能量攻擊分析自1996年被提出后[1]，各種能量攻擊方法被提出，包括簡單能量攻擊分析、差分能量攻擊分析[2]、相關性能量攻擊分析[3]、碰撞攻擊[4]、互信息能量攻擊分析和模板攻擊分析[5]等。利用這些攻擊方法可以直接對密碼設備進行攻擊，進而提取密碼設備的密鑰。

針對以上各種攻擊方法，各種防護方法也被提出。常見的防護方法有掩碼防護、隨機偽輪防護等。這些防護方法的主要目的是減弱敏感中間值和能耗之間的相關性，從而達到防護的目的。其中，掩碼防護是常見的防護措施之一，基本原理是通過在密碼模塊的輸入中加入隨機數(shù)掩碼數(shù)據(jù)，從而掩蓋真實數(shù)據(jù)，同時設計相應的掩碼脫掩電路，并將兩種電路的輸出結(jié)果結(jié)合運算進行消除掩碼，以消除掩碼技術(shù)對結(jié)果的影響。常見的兩種掩碼方法是布爾異或掩碼和算法加法掩碼。布爾異或掩碼主要是異或運算設計的掩碼，算術(shù)加法掩碼的主要是加法或者減法運算設計的掩碼。密碼算法安全設計過程中，兩種運算之間通常需要相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)掩碼的脫掩。針對不同的密碼算法，具體的設計方法不同[6-10]。

在CHES 2000會議上，Louis Goubin提出了一種布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)減法掩碼算法。在CHES 2001會議上，Louis Goubin提出了兩種掩碼互轉(zhuǎn)的方案。同時，Robert McEvoy在SHA1-256設計掩碼方案時也提出了兩種掩碼互轉(zhuǎn)的方案。以上掩碼方案都是從布爾代數(shù)的數(shù)學基礎出發(fā)，進行理論推導得出的。

本文針對掩碼防護中的布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼進行深入研究，站在電路設計的角度，提出了一種高效的轉(zhuǎn)換方法。該方法能夠有效保護敏感中間值，防護側(cè)信道能量攻擊分析。實驗結(jié)果表明，該方法可以有效防護能量攻擊分析。

1 能量攻擊分析

式中，E(·)表示期望，Var(·)表示方差。當ρ的絕對值最大時，對應的猜測敏感信息即為正確的敏感信息。

能量攻擊分析是側(cè)信道攻擊中最有效的方法之一，其中相關性能量攻擊最具代表性。本節(jié)主要對相關性能量分析攻擊進行描述。

2004年，Eric Brier等提出了相關性攻擊分析[3]。相關性攻擊分析主要是利用統(tǒng)計學中的皮爾遜相關系數(shù)ρ，攻擊流程如下：

（1）在密碼設備中，將N組不同的輸入數(shù)據(jù)和存儲在密碼設備中的敏感信息（密鑰等）進行運算，同時獲取密碼設備在運算過程中的能量消耗，記為H；

（2）通過猜測敏感信息，產(chǎn)生相應的假設中間值，然后根據(jù)假設中間值的漢明重量或者漢明距離，計算得到假設的能量消耗，記為W；

（3）計算H和W之間的線性相關系數(shù)：

2 布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼設計

2.1 布爾異或掩碼與算術(shù)加法掩碼

布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼在文獻[6]中被提出，基本原理利用了二元域上的函數(shù)滿足線性變換的性質(zhì)。定義一個二元域上的函數(shù)：

r為隨機數(shù)，x為敏感信息，則該函數(shù)在二元域上滿足線性關系：

其中γ為新引入的隨機數(shù)。令 A = ( x'⊕ r ) ?r，從而得出：

令x'=x ⊕r，r 為隨機數(shù)，通過式（6）變換計 算 A = ( x ⊕ r ⊕ r ) ? r = x ? r ， 利 用A和r即 可 計算x+r。可見，整個運算過程中沒有出現(xiàn)x，從而保證了安全性。

2.2 改進的布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼方案

2.1 中的轉(zhuǎn)換方法雖然可以保證轉(zhuǎn)換過程中的安全性，但需要引入額外的隨機數(shù)。本文從數(shù)字電路設計的角度出發(fā)，提出了一種布爾異或轉(zhuǎn)換為算法加法掩碼的電路。利用簡單的門電路搭建了轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，具體思路如下：假設A為需要被掩蓋的敏感數(shù)據(jù)，M為掩碼。令P A M= ⊕ ，實施加法掩碼時，令 Q = A+ M mod( 2n? 1 )，則：

其中Cout為進位。

令A、P、M、Q均為n比特的數(shù)據(jù)：

其中ai,mi,pi,qi∈GF(2),i=0,1…n-1，則：

具體的設計步驟如下：

輸入P= A⊕ M 、 M ，輸出Q = A+M

（1）X = P；

可以得知，只需要5步即可進行布爾異或掩碼到算術(shù)加法掩碼的轉(zhuǎn)換，且從第1步到第5步都沒有敏感數(shù)據(jù)A直接參與運算，有效防御了能量分析攻擊和電磁分析攻擊。

2.3 改進的布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼的設計實現(xiàn)

根據(jù)2.2的設計方案，利用Verilog硬件描述語言，實現(xiàn)了該電路模塊。隨后，利用ModelSim仿真工具，得到如圖1所示的仿真結(jié)果，其中標記之處為該模塊輸出的結(jié)果。該電路模塊使用簡單的邏輯門電路按照2.2中的步驟即可實現(xiàn)，及輸入P和M，輸出為Q和M。

圖1 布爾異或掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼電路仿真結(jié)果

3 實測分析

3.1 測試環(huán)境

實測環(huán)境主要是采用SASEBO-G側(cè)信道測試評估分析板，實驗環(huán)境如圖2所示。

圖2 SAKURA-G側(cè)信道能量分析評估板

SAKURA-G能量分析評估板，主要是對實現(xiàn)的算法模塊進行側(cè)信道信息泄露進行評估測試。它由兩片F(xiàn)PGA芯片構(gòu)成，一片實現(xiàn)算法，型號為XC6SLX75，另一片實現(xiàn)控制邏輯，型號為XC6SLX9。在實現(xiàn)算法的FGPA芯片的VCC端串接一個1 Ω的電阻，通過差分探頭可以監(jiān)測電阻上電壓信號的改變，從而可以測試運算邏輯在運行過程中的能耗信息。

3.2 實測結(jié)果

本實驗中，測試的目標主要是檢測轉(zhuǎn)換過程中是否有敏感信息的泄露，敏感信息是否得到了保護。在設計實驗的過程中，保證輸入數(shù)據(jù)P和M不斷變換，利用示波器采集掩碼轉(zhuǎn)換過程中的功耗信息，共采集了10萬條曲線，如圖3所示。然后，利用PM⊕結(jié)果的漢明重量與能量曲線進行相關性運算，得出相關性計算結(jié)果，如圖4所示。可見，PM⊕結(jié)果的漢明重量與能量曲線相關性幾乎不存在，輸出為32 bit。本次測試使用8 bit為單位，分為4組進行相關性測試。測試結(jié)果表明，該方法可以有效防御能量分析攻擊。

圖3 布爾掩碼轉(zhuǎn)算術(shù)加法掩碼能量跡

4 結(jié) 語

本文提出了一種布爾異或掩碼轉(zhuǎn)代數(shù)加法掩碼的安全設計方案，與同類設計相比，不需要引入額外的隨機數(shù)，并采用Verilog語言進行了描述。在FPGA上進行設計綜合，并進行實測攻擊分析，實驗結(jié)果表明該模塊設計可以防護能量攻擊分析，同時該模塊可以用于密碼算法掩碼防護設計中。

[1] KOCHERP.Timing Attacks on Implementations of Diffie-Hellman,RSA,DSS,and Other Systems[C].The 16th Annual International Cryptology Conference. Santa Barbara,1996:104-113.

[2] KOCHERP,JAFFE J,JUN B.Differential Power Analysis[C].The 19th Annual International CryPtology Conference Santa Barbara,1999:388-397.

[3] ERIC B,CHRISTOPHE C,FRANCIS O.Correlation Power Analysis with a Leakage Model[C].Proceeding of 6th International Workshop Cambridge,2004:16-29.

[4] CHEN A D,XU S,CHEN Y.Collision-based Chosenmessage Simple Power Clustering Attack Algorithm[J].China Communications,2013,10(05):114-119.

[5] SURESH C,JOSYULA R,PANKAJ R.Template Attacks[C].Proceedings of 4th International Workshop Redwood Shores,2003:13-28.

[6] Goubin L.A Sound Method for Switching between Boolean and Arithmetic Masking[C].International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems,2001:3-15.

[7] Mcevoy R,Tunstall M,Murphy C,et al.Differential Power Analysis of HMAC Based on SHA-2,and Countermeasures[C].Information Security Applications,International Workshop,Revised Selected Papers DBLP,2007:317-332.

[8] Goli,Dj J.Techniques for Random Masking in Hardware[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers,2007,54(02):291-300.

[9] 李丁,呂永其.能量分析攻擊基本原理和實踐驗證[J].信息安全與通信保密,2007(01):117-118.LI Ding,LV Yong-qi.Fundamental Principles and Practical Verification of Energy Analysis Attack[J].Information Security and Communications Security,2007(01):117-118.

[10] Won Y S,Han D G.Efficient Conversion Method from Arithmeticto Boolean Masking in Constrained Devices[C].Constructive Side-Channel Analysis and Secure Design,2017:120-137.