SM4算法的差分功耗攻擊研究

李新超 馬雙棚

摘 要 自差分功耗攻擊自誕生以來，分組密碼算法的實(shí)現(xiàn)安全面臨重大挑戰(zhàn)。SM4算法作為我國的分組密碼標(biāo)準(zhǔn)，同樣面臨功耗分析攻擊的嚴(yán)重威脅。文章通過利用自主設(shè)計(jì)的功耗攻擊平臺(tái)采集SM4算法加密過程中的功耗曲線，并對(duì)采集好的曲線進(jìn)行差分處理，從而獲得了SM4算法的密鑰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采集400條以上功耗曲線時(shí)，即有90%以上的概率破解密鑰。

關(guān)鍵詞 SM4；分組密碼；差分功耗攻擊；功耗曲線

中圖分類號(hào) TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）208-0108-02

1999年，Kocher等首次利用差分功耗攻擊破解了DES算法[ 1 ]，在此之后，其他密碼算法如AES等也相繼被攻破，密碼算法的實(shí)現(xiàn)安全面臨重大挑戰(zhàn)。SM4算法作為我國大力推廣的商用分組密碼標(biāo)準(zhǔn)，研究其抵御功耗攻擊的安全性對(duì)于推動(dòng)我國密碼事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的價(jià)值和意義。

1 SM4算法

SM4是一種分組密碼算法，分組長度為128bit，密鑰長度也為128bit。加解密算法結(jié)構(gòu)相同，輪密鑰的使用次序則相反。加密算法和解密算法以及密鑰拓展算法均采用了32輪的非線性迭代結(jié)構(gòu)[ 2 ]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用自主設(shè)計(jì)的FPGA功耗攻擊平臺(tái)，采集功耗曲線數(shù)據(jù)之后，依據(jù)差分功耗攻擊技術(shù)中的功耗分析理論，對(duì)功耗數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行處理，最后以某種方式呈現(xiàn)出來，從而達(dá)到破解密鑰的目的。

采集的400條功耗曲線進(jìn)行分析，當(dāng)猜測(cè)的密鑰錯(cuò)誤時(shí)，圖中無明顯尖峰或出現(xiàn)多個(gè)尖峰，如圖2所示。

當(dāng)猜測(cè)的密鑰正確時(shí)，圖中出現(xiàn)明顯的尖峰，如圖3所示。

4 結(jié)論

本文對(duì)SM4算法進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)闡述了差分功耗攻擊基本原理和步驟，最后通過利用FPGA功耗攻擊平臺(tái)成功破解了SM4算法的密鑰，驗(yàn)證了SM4算法在面臨差分功耗攻擊時(shí)的脆弱性，為SM4算法的進(jìn)一步改進(jìn)和完善提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Kocher P， Jaffe J， Jun B. Differential Power Analysis[J]. Lecture Notes in Computer Science，1999， 1666：388-397.

[2]呂述望，蘇波展，王鵬，等.SM4分組密碼算法綜述[J].信息安全研究，2016（11）：995-1007.

[3]白雪飛.抗功耗分析攻擊的SMS4密碼算法VLSI設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[4]Mangard S，Oswald E， Popp T. Power Analysis Attacks： Revealing the Secrets of Smart Cards[M]. Springer Publishing Company， Incorporated，2010.

[5]Liu F， Ji W， Hu L， et al. Analysis of the SM4 Block Cipher[C]//Information Security and Privacy，Australasian Conference， ACISP 2007， Townsville，Australia， July 2-4， 2007， Proceedings. DBLP，2007：158-170.