摘 要： 針對(duì)AES的差分故障攻擊(DFA)過(guò)程，總結(jié)出對(duì)AES的DFA攻擊算法與攻擊模型的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上為AES密碼芯片設(shè)計(jì)了一種基于TRC校驗(yàn)的防護(hù)電路，并對(duì)其抗差分故障攻擊的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該防護(hù)電路能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出導(dǎo)入錯(cuò)誤，增強(qiáng)了AES芯片抗DFA攻擊的能力。
關(guān)鍵詞： 差分故障攻擊； AES； 攻擊模型； TRC； 防護(hù)電路
故障攻擊是旁道攻擊的一種，是一種通過(guò)旁道信息的密碼攻擊方法，利用隨機(jī)硬件錯(cuò)誤對(duì)RSA公鑰密碼體制進(jìn)行攻擊(最早由Boneh等人提出[1])。1997年，Biham和Shamir等將此種攻擊方法應(yīng)用到對(duì)稱密碼體制的旁道攻擊中，并首次提出了“差分故障攻擊”DFA（Differential Fault Attack）的概念[2]。他們?cè)O(shè)計(jì)了差分故障攻擊的模型，成功破解了DES密碼芯片的密鑰。由此，差分故障攻擊方法被應(yīng)用到幾乎所有公開(kāi)文獻(xiàn)中提出的密碼系統(tǒng)中。但是，對(duì)基于代換置換網(wǎng)絡(luò)SPN(Substitution-Permutation Network）架構(gòu)的AES密碼芯片來(lái)說(shuō)，差分故障攻擊方法并不能直接對(duì)其進(jìn)行攻擊，因?yàn)锳ES不是Feistel架構(gòu)的。
目前，高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)AES已經(jīng)取代數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES，廣泛應(yīng)用于IPsec協(xié)議、SSL、無(wú)線局域網(wǎng)及ATM等多個(gè)領(lǐng)域。與此同時(shí)，針對(duì)AES硬件實(shí)現(xiàn)密碼芯片的攻擊方法也在不斷更新，旁道攻擊中的故障攻擊已經(jīng)成為其嚴(yán)重威脅。本文描述了針對(duì)AES-128的差分故障攻擊過(guò)程，并給出對(duì)AES的差分故障攻擊的攻擊算法，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了多種攻擊模型的特點(diǎn)。針對(duì)差分故障攻擊的弱點(diǎn)，在AES硬件實(shí)現(xiàn)中增加了抵抗DFA攻擊的防護(hù)電路，并對(duì)其防護(hù)能力進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證。
1 差分故障攻擊
差分故障攻擊(DFA)的基本原理是將密碼芯片置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，或者改變芯片的電源電壓、工作頻率、溫度等，使密碼芯片中的寄存器、存儲(chǔ)器在加解密過(guò)程中產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤，某些輸出bit從原來(lái)的0變成1或1變成0。通過(guò)對(duì)正確密文輸出和錯(cuò)誤密文輸出的差分比較，經(jīng)過(guò)理論分析，就可得到芯片內(nèi)部的秘密數(shù)據(jù)信息。
故障攻擊是一套方法的集合，參考文獻(xiàn)[2]對(duì)DES的差分故障攻擊進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過(guò)故障長(zhǎng)度、故障位置和故障導(dǎo)入時(shí)間3個(gè)待定參數(shù)對(duì)差分故障攻擊進(jìn)行分類。故障長(zhǎng)度是指在芯片內(nèi)部導(dǎo)入錯(cuò)誤時(shí)，影響數(shù)據(jù)位數(shù)，主要分為2種：?jiǎn)挝诲e(cuò)誤和多位錯(cuò)誤。單位錯(cuò)誤導(dǎo)入是指僅僅能導(dǎo)入到密碼系統(tǒng)中1位錯(cuò)誤，多位錯(cuò)誤導(dǎo)入是指能導(dǎo)入到密碼系統(tǒng)中多位錯(cuò)誤。故障位置是把錯(cuò)誤導(dǎo)入到目標(biāo)密碼設(shè)備中的具體位置，方便進(jìn)行差錯(cuò)分析。故障導(dǎo)入時(shí)間是指導(dǎo)入錯(cuò)誤使其有效的時(shí)間，同時(shí)表明攻擊者能控制設(shè)備的能力，主要分為瞬時(shí)故障和永久故障2種模式。瞬時(shí)故障是指在設(shè)備中導(dǎo)入錯(cuò)誤，在不穩(wěn)定的同時(shí)很容易在錯(cuò)誤態(tài)和正常態(tài)之間跳轉(zhuǎn)。在需要導(dǎo)入單位錯(cuò)誤時(shí)，可以考慮這種故障模式。永久故障是指錯(cuò)誤導(dǎo)入能使攻擊者在他需要的時(shí)間內(nèi)一直保持故障狀態(tài)。比如，希望設(shè)備的某一位置一直為1或0，本文所述的模擬攻擊過(guò)程就是使用單bit錯(cuò)誤瞬時(shí)故障模式。
2 針對(duì)AES的DFA
2.1高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)AES
AES是一種分組密碼算法，其分組長(zhǎng)度為128 bit，密鑰長(zhǎng)度為128 bit，192 bit或256 bit。本文以AES-128為例進(jìn)行分析，其輸入分組和解密算法的輸出分組均為128 bit,并且分組是用以字節(jié)為單位的正方形矩陣描述。其結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特征是每一輪都使用代換和混淆、并行處理整個(gè)數(shù)據(jù)分組的SPN架構(gòu)，而不是Feistel結(jié)構(gòu)。AES架構(gòu)由輪函數(shù)通過(guò)10輪迭代實(shí)現(xiàn)，每一輪由4個(gè)不同的部分組成，包括一個(gè)混淆和3個(gè)代換，其中字節(jié)代換是用S盒完成分組中的按字節(jié)的代換；行移位是一個(gè)簡(jiǎn)單的置換；列混淆是利用在域GF(28)上的算術(shù)特性的代換，在最后一輪中沒(méi)有列混淆；輪密鑰加是利用當(dāng)前分組和擴(kuò)展密鑰的一部分進(jìn)行按位XOR，每一輪加解密需要1個(gè)輪密鑰，輪密鑰是由初始密鑰通過(guò)固定的密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生的[3]。圖1給出了AES最后二輪的加密流程。
其中，SB(Substitute Byte)是按字節(jié)的替換，SR(Shift Row)是按不同的位移量進(jìn)行行移位，MC(Mix Columns)是每列并行應(yīng)用線性變換GF(28)到GF(28)的列混淆，ADK(And Key)是“異或”密鑰Key，Mi是中間加密數(shù)據(jù)寄存器，C是輸出密文。
2.2 DFA攻擊過(guò)程
針對(duì)AES-128的差分故障攻擊已經(jīng)有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究[4-6]，本文對(duì)其進(jìn)行DFA攻擊過(guò)程的分析。AES-128的明文與密鑰都是4×4的矩陣，其最后一輪的3個(gè)變換都是字節(jié)到字節(jié)的變換，即最后一輪的輸入中改變1個(gè)字節(jié)，相應(yīng)的輸出密文只有1個(gè)字節(jié)的變化，變換過(guò)程如圖2所示。
由圖2可知，G是輸入的某一字節(jié)，經(jīng)過(guò)字節(jié)代換后就被S[G]代換，行移位變換把S[G]循環(huán)右移到另外一個(gè)位置，接著通過(guò)密鑰“異或”運(yùn)算得到了密文C。由DFA原理可知，完成對(duì)AES的攻擊，需要進(jìn)行2次加密運(yùn)算過(guò)程，一是在正常工作狀態(tài)下的加密流程，這樣可以得到正確的密文C。另一個(gè)是通過(guò)改變系統(tǒng)工作的外部環(huán)境，在最后一輪的當(dāng)前輸入(如圖2所示）中導(dǎo)入故障，而后進(jìn)行加密得到故障密文C′。對(duì)正確密文C與故障密文C′進(jìn)行差分分析，計(jì)算它們之間的差值(記為D)，其關(guān)系式如下：
3 抗DFA的防護(hù)電路設(shè)計(jì)
3.1 DFA攻擊模型分析
參考文獻(xiàn)[5-6]都對(duì)AES密碼芯片進(jìn)行了攻擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)AES的差分故障攻擊模型的特點(diǎn)分析如下：
(1)控制AES密碼系統(tǒng)設(shè)備，可以完成對(duì)已知信息的加解密。
(2) 通過(guò)外部環(huán)境的改變控制密碼系統(tǒng)的工作，能在系統(tǒng)工作過(guò)程中導(dǎo)入隨機(jī)故障。
(3) 密碼系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，在同一時(shí)間只能發(fā)生1種故障，由1變成0或由0變成1，此故障稱為單向故障。
通過(guò)分析故障攻擊模型，可以發(fā)現(xiàn)，攻擊者主要是通過(guò)外部環(huán)境的改變，導(dǎo)致芯片內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)的故障，而且故障的類型主要是bit錯(cuò)誤。這樣在模擬攻擊防護(hù)時(shí)，設(shè)定導(dǎo)入bit錯(cuò)誤，以此來(lái)檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的防護(hù)電路的可行性。
3.2 防護(hù)電路設(shè)計(jì)
根據(jù)對(duì)DFA研究可知，差分故障攻擊成功的基礎(chǔ)是在芯片內(nèi)部引入錯(cuò)誤，使其在故障模式下能夠繼續(xù)工作，通過(guò)分析芯片在故障模式與正確模式下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，獲取內(nèi)部密鑰等重要信息。為此，本文在設(shè)計(jì)抵抗差分故障攻擊電路時(shí)，可以從兩個(gè)層面進(jìn)行防護(hù):一種是檢測(cè)錯(cuò)誤誘導(dǎo)的條件，例如檢測(cè)外部工作環(huán)境，防止錯(cuò)誤導(dǎo)入。另一種是在芯片運(yùn)算過(guò)程中，設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)到錯(cuò)誤產(chǎn)生的故障檢測(cè)電路,在運(yùn)算層面進(jìn)行防護(hù)。由于在進(jìn)行DFA攻擊過(guò)程中,需要對(duì)芯片導(dǎo)入錯(cuò)誤，所以本文沒(méi)有考慮檢測(cè)誘導(dǎo)條件的措施。故在設(shè)計(jì)模擬引入故障情況下，從密碼芯片運(yùn)算檢測(cè)的角度對(duì)差分故障攻擊進(jìn)行防護(hù)。
針對(duì)DFA攻擊的特點(diǎn)及抵抗其攻擊的基礎(chǔ)，只要使密碼芯片在產(chǎn)生故障情況下停止工作，攻擊者就無(wú)法得到錯(cuò)誤的輸出數(shù)據(jù)，從而使DFA失效。按照防護(hù)位置與檢測(cè)技術(shù)的要求，在AES架構(gòu)容易受到攻擊的位置，設(shè)計(jì)基于TRC校驗(yàn)器抵抗DFA的防護(hù)電路?！?br />
TRC校驗(yàn)器是鑒別差分信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)[8]，如圖3所示，具有4輸入2輸出，如果輸入信號(hào)a0、a1和b0、b1剛好是差分的，則輸出z0、z1也是差分的，所以這種TRC電路很容易擴(kuò)展成多bit的TRC校驗(yàn)器。對(duì)于加密過(guò)程的中間數(shù)據(jù)寄存器，沒(méi)有直接采用TRC檢測(cè)模塊，這是因?yàn)樾枰獧z測(cè)的數(shù)據(jù)是128 bit，無(wú)法忍受直接使用TRC校驗(yàn)器帶來(lái)的傳輸延時(shí),故在檢驗(yàn)前加入了計(jì)數(shù)器模塊。
根據(jù)AES密碼算法的特點(diǎn)及前文對(duì)差分故障攻擊過(guò)程的分析可知，要抵抗DFA攻擊，需在其中間數(shù)據(jù)寄存器上安裝檢測(cè)電路。如果錯(cuò)誤導(dǎo)入，則輸出錯(cuò)誤產(chǎn)生反饋信號(hào)，這樣才能防止攻擊成功。因?yàn)锳ES的明文與密鑰都是128 bit的，中間數(shù)據(jù)寄存器也是128 bit的，故在錯(cuò)誤檢驗(yàn)前給檢測(cè)電路加上1個(gè)0計(jì)數(shù)器模塊，這樣就可以只通過(guò)8 bit的TRC差分校驗(yàn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。
如圖4所示，設(shè)計(jì)的抗差分故障攻擊電路模塊EDN主要由3個(gè)模塊組成，128 bit的計(jì)數(shù)器模塊0_CT、8 bit反相器模塊以及8 bit TRC校驗(yàn)器模塊TRC。每一輪運(yùn)算的初始階段，128 bit中間加密信息位C傳輸?shù)?計(jì)數(shù)器模塊0_CT，產(chǎn)生8 bit檢驗(yàn)位，并通過(guò)反相器傳輸?shù)絋RC校驗(yàn)器模塊。同時(shí)128_reg寄存器輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)錯(cuò)誤檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)(EDN)的0計(jì)數(shù)器0_CT產(chǎn)生8 bit檢驗(yàn)位，兩組校驗(yàn)位進(jìn)行TRC差分比較，輸出結(jié)果Z0、Z1。
4 防護(hù)電路仿真與驗(yàn)證
為了檢測(cè)設(shè)計(jì)的防護(hù)電路的可行性與性能，采用Verilog硬件語(yǔ)言，選用Altera 的EP2C35F672C8器件，使用QuartusII軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了綜合與仿真驗(yàn)證。在不加錯(cuò)誤檢測(cè)電路與加入錯(cuò)誤檢測(cè)電路的情況下，對(duì)AES進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如表1所示。
其中EDN是指錯(cuò)誤檢測(cè)電路模塊。從表中可以看出，防護(hù)電路占用資源比較少，只有709個(gè)邏輯單元，整個(gè)AES密碼芯片的功耗只增加了18.22 mW，資源冗余增加不到整體資源的10 %，在設(shè)計(jì)抗故障攻擊的電路時(shí)可以接受這樣的防護(hù)電路。
仿真驗(yàn)證的過(guò)程中,為了更好地模擬故障攻擊過(guò)程，對(duì)AES的中間存儲(chǔ)頂層模塊進(jìn)行修改，引進(jìn)了2個(gè)新的信號(hào)：change_en和ERROR。change_en代表對(duì)寄存器進(jìn)行某些位的修改，當(dāng)其為高電平時(shí)有效，即寄存器的某些位發(fā)生翻轉(zhuǎn)。ERROR信號(hào)代表錯(cuò)誤的產(chǎn)生，ERROR=~
，當(dāng)其為高電平時(shí)，表明寄存器產(chǎn)生了錯(cuò)誤，低電平時(shí)表明寄存器正常工作。
從電路仿真結(jié)果圖5中可以看到，輸入正常的情況下(80 ns~150 ns)產(chǎn)生差分的Z0、Z1,ERROR信號(hào)為0，代表芯片正常工作,在模擬引入隨機(jī)錯(cuò)誤(155 ns時(shí),change_en＝1)之后，輸入數(shù)據(jù)的最高位發(fā)生了變化，系統(tǒng)輸出了差錯(cuò)信息，Z0、Z1不再是差分的，ERROR信號(hào)也變?yōu)楦唠娖??？梢?jiàn),此電路能正確檢測(cè)出中間數(shù)據(jù)寄存器是否有錯(cuò)誤產(chǎn)生，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出差分故障攻擊導(dǎo)入的錯(cuò)誤，提高了系統(tǒng)的安全性。仿真結(jié)果顯示達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
差分故障攻擊已經(jīng)成為密碼芯片的嚴(yán)重威脅，本文分析了DFA攻擊原理，對(duì)攻擊過(guò)程和攻擊算法進(jìn)行了描述。針對(duì)DFA對(duì)AES密碼芯片的攻擊特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了抗DFA的防護(hù)電路。在AES架構(gòu)的中間數(shù)據(jù)寄存器處，增加了基于TRC校驗(yàn)器的抵抗差分故障攻擊的模塊。仿真結(jié)果表明，該防護(hù)電路能夠達(dá)到防御DFA攻擊的目的，增強(qiáng)了AES芯片抗故障攻擊的能力。此外，這種基于TRC校驗(yàn)器的防護(hù)電路的設(shè)計(jì)思想也可以運(yùn)用到其他需要防護(hù)DFA攻擊的密碼芯片中。
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