DE102006062649B4

DE102006062649B4 - encryption unit

Info

Publication number: DE102006062649B4
Application number: DE102006062649A
Authority: DE
Inventors: Steffen Peter; Ulrich Jagdhold; Peter Dr. Langendörfer; Frank Vater
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: DE102006062649A1

Abstract

Verschlüsselungseinheit (10) mit einem Dateneingang für einen eingehenden Datenstrom von Eingangszeichen und einem Datenausgang für einen ausgehenden Datenstrom von Ausgangszeichen, wobei zwischen dem Dateneingang und dem Datenausgang eine Substitutionsbox (20) angeordnet ist, die ausgebildet ist, jeweils ein Eingangszeichen des eingehenden Datenstroms durch ein durch die Substitutionsbox (20) einem jeweiligen Eingangszeichen zugeordnetes Ausgangszeichen zu ersetzen und so den ausgehenden Datenstrom zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselungseinheit (10) eine ebenfalls mit dem Dateneingang verbundene stromverbrauchende Box (30) aufweist, die ausgebildet ist, gleichzeitig mit dem Ersetzen des einen jeweiligen Eingangszeichens durch ein Ausgangszeichen einen Stromfluss auszulösen, wobei der jeweilige Stromfluss eine vom jeweiligen Eingangszeichen bestimmte Stromstärke hat, die so bemessen ist, dass die Summe der Stärke des von der Substitutionsbox (20) für das Ersetzen des jeweiligen Eingangszeichens durch ein entsprechendes Ausgangszeichen aufgenommenen Stroms und des von der stromverbrauchenden Box (30) aufgenommenen, durch ein jeweiliges Eingangszeichen bestimmten Stroms für alle möglichen Eingangszeichen zumindest...An encryption unit (10) having a data input for an incoming data stream of input characters and a data output for an outgoing data stream of output characters, wherein between the data input and the data output a substitution box (20) is arranged, which is in each case an input character of the incoming data stream characterized in that the encryption unit (10) has a power consuming box (30), also connected to the data input, which is designed to be simultaneously connected to the data source Replacing the one respective input character by an output signal to trigger a current flow, wherein the respective current flow has a current determined by the respective input signal current, which is such that the sum of the strength of the substitution box (20) for the Replacing the respective input character by a corresponding output signal recorded current and of the power consuming box (30) recorded, determined by a respective input signal current for all possible input characters at least ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschlüsselungseinheit mit einer Substitutionsbox. Die Substitutionsbox ersetzt Eingangszeichen eines eingehenden Datenstroms durch Ausgangszeichen eines ausgehenden Datenstroms. Dazu ist die Substitutionsbox mit einem Dateneingang und einem Datenausgang mit der Verschlüsselungseinheit verbunden. Über die Substitutionsbox ist jedem Zeichen des eingehenden Datenstroms, also jedem Eingangszeichen ein Ausgangszeichen zugeordnet. Der Strom der Ausgangszeichen, die aus den Eingangszeichen gebildet wurden, bilden den ausgehenden Datenstrom.The The invention relates to an encryption unit with a substitution box. The substitution box replaces input characters an incoming data stream through outgoing characters of an outgoing Data stream. This is the substitution box with a data input and a data output connected to the encryption unit. About the substitution box is every character of the incoming data stream, ie every input character assigned an output character. The stream of exit signs, the were formed from the input characters form the outgoing Data stream.

Substitutionsboxen werden beispielsweise für solche Verschlüsselungsalgorithmen wie DES oder AES benötigt. Die Werte, die die Substitutionsbox definieren und die angeben, durch welches Ausgangszeichen ein jeweiliges Eingangszeichen zu ersetzen ist, können berechnet werden oder in einer Tabelle abgelegt sein. Die Substitutionsbox kann als Softwarelösung realisiert sein, bei der die Berechnung der Werte zum Ersetzen eines Eingangszeichens durch ein Ausgangszeichen durch ein Programm vorgegeben ist. Entsprechend kann auch eine Substitutionstabelle in einem flüchtigen Speicher gespeichert sein. Alternativ kann die Substitutionsbox auch in Form von Hardware realisiert sein. Eine solche Hardwarelösung kann die Form eines Mikrochips haben, bei dem logische Grundgatter wie NAND oder NOR so miteinander verknüpft sind, dass sich die korrekte Berechnung eines Ausgangszeichens aus einem Eingangszeichen ergibt. Gleichermaßen kann eine Substitutionstabelle zum Auslesen eines jeweiligen Ausgangszeichens in Abhängigkeit eines Eingangszeichens als Hardware realisiert sein.substitution boxes for example such encryption algorithms like DES or AES needed. The values that define the substitution box and that indicate by which output character a respective input character replace can be calculated or stored in a table. The substitution box can as a software solution be realized in which the calculation of the values for replacing a Input character specified by an output character by a program is. Similarly, a substitution table in a volatile Memory to be stored. Alternatively, the substitution box also be realized in the form of hardware. Such a hardware solution can have the form of a microchip, in which basic logic gates like NAND or NOR linked together so are that the correct calculation of an output character from an input character. Similarly, a substitution table for reading out a respective output character as a function of a Input character be implemented as hardware.

Typischerweise ist eine Substitutionsbox ausgebildet, 256 verschiedene Eingangswerte voneinander zu unterscheiden und entsprechende Ausgangswerte zu erzeugen.typically, If a substitution box is formed, 256 different input values from each other and corresponding output values too produce.

Wenn die Substitutionsbox in Hardware so realisiert ist, dass sie synchron zu einem eingehenden Datenstrom einen ausgehenden Datenstrom erzeugt, wird das jeweils eingehende Signal bei steigender Flanke des Taktsignals, also bei steigender Clockflanke verarbeitet. Wenn zu diesem Zeitpunkt – also während der ansteigenden Clockflanke – der charakteristische Stromverbrauch der Substitutionsbox gemessen wird, ergibt es sich, dass der jeweils gemessene Strom vom Wert des Eingangszeichens abhängig ist, das heißt also für unterschiedliche Eingangszeichen verschieden ist. Dieses Phänomen ist für eine Substitutionsbox zur Verarbeitung von 16 unterschiedlichen Eingangswerten in 1 abgebildet. Die unterschiedliche Stromaufnahme der Substitutionsbox in Abhängigkeit eines jeweiligen Eingangszeichens macht es möglich, die Stromaufnahme der Substitutionsbox zu ermitteln und daraus Rückschlüsse auf den eingehenden Datenstrom zu ziehen.If the substitution box is implemented in hardware in such a way that it generates an outgoing data stream in synchronism with an incoming data stream, the respectively incoming signal is processed on a rising edge of the clock signal, that is to say as the clock edge rises. If the characteristic power consumption of the substitution box is measured at this time, that is to say during the rising clock edge, it follows that the respectively measured current is dependent on the value of the input character, that is to say it is different for different input characters. This phenomenon is for a substitution box for processing 16 different input values in 1 displayed. The different current consumption of the substitution box as a function of a respective input character makes it possible to determine the current consumption of the substitution box and to draw conclusions about the incoming data stream.

Dies ist aus kryptologischen Gesichtspunkten unerwünscht.This is undesirable from a cryptological point of view.

Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, parallel zur Verarbeitung des eingehenden Datenstroms Operationen mit pseudozufälligen Daten durchzuführen, die zu einer schwankenden Stromaufnahme führen, die der Stromaufnahme der Substitutionsbox überlagert ist, so dass die Gesamtstromaufnahme insgesamt schwankt und Rückschlüsse auf den eingehenden Datenstrom erschwert werden.A known solution This problem is parallel to the processing of the incoming Data stream operations to perform pseudo-random data, the lead to a fluctuating current consumption, the current consumption superimposed on the substitution box is, so that the total current consumption totals and draw conclusions the incoming data stream are made more difficult.

In DE 10 2005 057 104 A1 ist neben einem kryptographischen Operationsblock ein Stromtransformationsblock beschrieben, der zusätzlich und außerhalb von kryptographischen Operationen ein zusätzliches Peakmuster mit unterschiedlichem Stromverbrauch zum jeweiligen Zeitpunkt generiert, um so eine „Differential Power Analysis”, also das Erkennen von Strommustern während einer kryptographischen Operation zu verhindern.In DE 10 2005 057 104 A1 In addition to a cryptographic operation block, a current transformation block is described which additionally and outside of cryptographic operations generates an additional peak pattern with different power consumption at the respective time in order to prevent a differential power analysis, ie the detection of current patterns during a cryptographic operation.

Aus der Veröffentlichung DE 101 36 335 A1 ist ein Prozessor mit zwei Rechenwerken bekannt. In einem Hochsicherheitsbetriebsmodus sind dem ersten Rechenwerk Daten zugeführt und dem zweiten Rechenwerk über eine Komplementierungseinrichtung komplementäre Daten. In diesem Betriebsmodus bearbeiten die beiden Rechenwerke zeitsynchron identische Befehle ab, so dass die gesamte Leistungsaufnahme der beiden Rechenwerke in keinem erkennbaren Zusammenhang zu den Eingangsdaten steht.From the publication DE 101 36 335 A1 is a processor with two arithmetic units known. In a high-security operating mode, data is supplied to the first arithmetic unit and data complementary to the second arithmetic unit via a complementing device. In this operating mode, the two arithmetic units process time-synchronized identical commands, so that the total power consumption of the two arithmetic units is not identifiable with the input data.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Lösung für das zuvor genannte Problem zu finden.Of the Invention is based on the object, an alternative solution for the previously to find said problem.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verschlüsselungseinheit der eingangs genannten Art gelöst, die neben einer in an sich bekannter Art implementierten Substitutionsbox eine rein stromverbrauchende Box aufweist, der der eingehende Datenstrom parallel zur Substitutionsbox zugeführt wird. Die stromverbrauchende Box ist also gleichermaßen wie die Substitutionsbox mit dem Dateneingang der Verschlüsselungseinheit verbunden. Die stromverbrauchende Box ist so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit eines jeweiligen Eingangszeichens einen Stromfluss verursacht (oder einfach ausgedrückt: einen Strom aufnimmt und verbraucht), der hinsichtlich seiner Stromstärke so bemessen ist, dass die Gesamtstromaufnahme von Substitutionsbox und rein stromverbrauchender Box für jedes Eingangszeichen wenigstens annähernd gleich ist. Dies bedeutet, dass die stromverbrauchende Box für jedes Eingangszeichen, das eine vergleichsweise geringe Stromaufnahme der Substitutionsbox bewirkt, einen vergleichsweise starken (Offset-)Strom aufnimmt. Die Summe aus der Stromaufnahme der Substitutionsbox und der der Stromaufnahme der rein stromverbrauchenden Box sollte somit für jedes Zeichen annähernd gleich sein. Mit annähernd gleich ist gemeint, dass die üblichen Hardwarebestandteile wie logische Gatter oder Transistoren, aus denen Mikrochips und deren Bestandteile und somit auch die stromverbrauchende Box zusammengesetzt sind, nicht beliebig feine Abstufungen der Stromaufnahme erlauben. Annähernd gleich heißt somit, dass die Summe der Stromaufnahme der rein stromverbrauchenden Box und der Substi tutionsbox für jedes Eingangszeichen im Rahmen der mit logischen Gattern oder der mit Transistoren erzielbaren Möglichkeiten gleich ist.According to the invention, this object is achieved by an encryption unit of the type mentioned above, which, in addition to a substitution box implemented in a manner known per se, has a purely power-consuming box to which the incoming data stream is fed parallel to the substitution box. The power consuming box is thus connected in the same way as the substitution box with the data input of the encryption unit. The power consuming box is designed to cause a current flow (or simply a current consumes and consumes) depending on a respective input character, which is so dimensioned in terms of its current that the total power consumption of substitution box and purely power consuming box for each input character at least is approximately equal. This means that the power consuming box receives a comparatively strong (offset) current for each input character which causes a comparatively low power consumption of the substitution box. The sum of the current consumption of the substitution box and the current consumption of the purely power consuming box should thus be approximately the same for each character. By approximately the same is meant that the usual hardware components such as logic gates or transistors from which microchips and their components and thus also the power consuming box are assembled, do not allow arbitrarily fine gradations of power consumption. Almost equals thus means that the sum of the current consumption of the pure power consuming box and the substitution box is the same for each input character in the context of the possibilities obtainable with logic gates or with transistors.

Da die Substitutionsbox gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung in relativ einfacher Weise auf der Grundlage einer digitalen Bibliothek aus logischen Grundgattern wie NAND, NOR oder dergleichen aufgebaut ist, kann die Anpas sung der Stromaufnahme der stromverbrauchenden Box in der Regel nicht ganz so fein sein, wie dies der Fall ist, wenn die stromverbrauchende Box in einer alternativen, bevorzugten Ausführungsvariante auf der Ebene der einzelnen Transistoren gestaltet ist.There the substitution box according to a preferred variant of the invention in a relatively simple manner the basis of a digital library of basic logical gates how NAND, NOR or the like is constructed, the Anpas solution the power consumption of the power consuming box usually not be as fine as this is the case when the power consuming Box in an alternative, preferred embodiment on the plane the individual transistors is designed.

Es gibt also zwei grundsätzlich alternative, bevorzugte Varianten, wie die stromverbrauchende Box aufgebaut sein kann. Diese alternativen Varianten lassen sich auch miteinander kombinieren.It So there are basically two alternative, preferred variants, such as the power consuming box can be constructed. These alternative variants are also possible combine with each other.

Der Aufbau der stromverbrauchenden Box kann durch geeignete Zusammenstellung der in einer digitalen Bibliothek vorhandenen Grundgatter für NAND, NOR usw. so erfolgen, dass die Stromaufnahme einer für ein jeweiliges Eingangszeichen spezifischen Kombination von Grundgattern so bemessen ist, dass die für unterschiedliche Eingangszeichen schwankende Stromaufnahme der Substitutionsbox durch einen entsprechenden Offsetstrom der stromverbrauchenden Box ausgeglichen wird. Diese Variante der stromverbrauchenden Box hat den Vorteil, dass der Stromverbrauch der verschiedenen Gatter einer Bibliothek logischer Gatter grundsätzlich bekannt ist und nachgeschlagen werden kann, so dass der Offsetstrom leicht zu berechnen ist.Of the Construction of the power-consuming box can be done by suitable composition the basic gate for NAND available in a digital library, NOR, etc., so that the current consumption of one for a respective Input character specific combination of basic gates is so dimensioned that for different input signals fluctuate current consumption of the substitution box compensated for a corresponding offset current of the power consuming box becomes. This variant of the power consuming box has the advantage that the power consumption of the different gates of a library more logical Gate basically is known and can be looked up, so that the offset current easy to calculate.

Die alternative Variante, die stromverbrauchende Box auf der Ebene einzelner Transistoren zu gestalten, bietet den Vorteil, dass sie eine genauere Annäherung für ein jeweiliges Eingangszeichen erforderlichen Offsetstroms an die auszugleichende Schwankung der Stromaufnahme der Substitutionsbox erlaubt. Die Gestaltung der stromverbrauchenden Box auf Transistorebene ist jedoch aufwendiger zu implementieren.The alternative variant, the power consuming box at the level of individual Making transistors has the advantage of providing a closer approximation to a particular one Input character required offset current to the fluctuation to be compensated the current consumption of the substitution box allowed. The design of the However, power consuming box on the transistor level is more expensive too to implement.

Als Untervarianten einer auf der Ebene einzelner Transistoren gestalteten stromverbrauchenden Box ergibt sich zum einen eine Variante, bei der einzelne Transistoren angesprochen werden, so dass in Abhängigkeit eines jeweiligen Eingangszeichens eine ausgewählte Anzahl von Transistoren geschaltet werden um den gewünschten Offsetstrom (und damit die gewünschte Stromaufnahme der stromverbrauchenden Box) zu erzielen. Zum anderen kann die stromverbrau chende Box auch Transistorarrays aufweisen, die einen spezifizierten Stromverbrauch haben.When Subvariants of a designed on the level of individual transistors power consuming box results on the one hand a variant at the individual transistors are addressed, so depending of a respective input character a selected number of transistors be switched to the desired Offset current (and thus the desired Current consumption of the power consuming box). On the other hand the power consuming box may also have transistor arrays, which have a specified power consumption.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Begriffe „Stromaufnahme” und „Stromverbrauch” für die Zwecke dieser Beschreibung synonym gebraucht werden und die Stärke des Stromflusses bezeichnen, der durch die stromverbrauchende Box oder Substitutionsbox bei der Verarbeitung eines jeweiligen Eingangszeichens fließt. Der von der rein stromverbrauchenden Box aufgenommene Strom wird hier auch als Offsetstrom bezeichnet.At This point should be noted that the terms "power consumption" and "power consumption" for the purposes used synonymously in this description and the strength of the Current flow denote by the power consuming box or Substitution box when processing a respective input character flows. The electricity consumed by the purely power-consuming box becomes also referred to here as offset current.

Da die stromverbrauchende Box einfach nur Strom verbrauchen soll, hat sie in bevorzugten Ausführungsvarianten keinen Ausgang.There the power consuming box is just supposed to consume power they in preferred embodiments no exit.

Verschiedene, alternative bevorzugte Ausführungsvarianten der stromverbrauchenden Box unterscheiden sich auch auf Blockebene voneinander.Various, alternative preferred embodiments The power consuming box also differ at block level from each other.

Im einfachsten Fall ist die stromverbrauchende Box so aufgebaut, dass jedes Eingangszeichen des eingehenden Datenstroms der stromverbrauchenden Box individuell zugeführt wird. Bei dieser Ausführungsvariante ist der stromverbrauchenden Box für jeden möglichen Wert des Eingangszeichens ein Element zugeordnet, dass den gewünschten Offsetstrom fließen lässt. Eine derartige stromverbrauchende Box würde somit für 256 mögliche, verschiedene Eingangszeichen entsprechend 256 Elemente aufweisen. Ein jeweiliges Element ist dabei – wie zuvor schon beschrieben – eine geeignete Kombination von Logikgattern oder Transistoren.in the the simplest case, the power consuming box is constructed so that each input character of the incoming data stream of the power consuming Box supplied individually becomes. In this embodiment is the power consuming box for any value of the input character Element assigned to the desired Offset current flow leaves. Such a power-consuming box would thus for 256 possible, different input characters corresponding to 256 elements. A respective element is there - like previously described - one suitable combination of logic gates or transistors.

Zum anderen kann die stromverbrauchende Box auf Blockebene auch so aufgebaut sein, dass solche Eingangszeichen mit unterschiedlichem Wert, die eine identische, oder wenigstens eine annähernd identische Stromaufnahme der Substitutionsbox zur Folge haben, jeweils das gleiche Element – also die gleiche Kombination von Logikgattern beziehungsweise Transistoren – ansprechen. Eine derartige stromverbrauchende Box kann so aufgebaut sein, dass die stromverbrauchende Box eine Look-Up-Tabelle und dieser nachgeschaltet strom verbrauchende Elemente aufweist, die jeweils aus Kombinationen von Logikgattern beziehungsweise Transistoren aufgebaut sind. Über die Look-Up-Tabelle können dann mehrere Eingangszeichen einem stromverbrauchenden Element der stromverbrechenden Box zugeordnet sein. Eine derartige stromverbrauchende Box kann somit beispielsweise eine Look-Up Tabelle enthalten, die beispielsweise mehrere von insgesamt 256 verschiedenen Eingangszeichen jeweils einem von beispielsweise 16 stromverbrauchenden Elementen zugeordnet. Der unterschiedlich stromverbrauchende Teil der stromverbrauchenden Box muss dann nur noch 16 stromverbrauchende Elemente statt derer 256 umfassen, wenn insgesamt 256 verschiedene Eingangszeichen (also Eingangszeichen, die 256 verschiedene Werte annehmen können) verarbeitet werden sollen.On the other hand, the power-consuming box can also be constructed at block level such that input signals of different value, which result in an identical or at least approximately identical current consumption of the substitution box, each have the same element - ie the same combination of logic gates or transistors. speak to. Such a power-consuming box can be constructed so that the power-consuming box has a look-up table and this downstream power-consuming elements, each consisting of combinations of logic gates or transistors are built. Via the look-up table, a plurality of input characters can then be assigned to a current-consuming element of the current-violating box. Such a power-consuming box can thus contain, for example, a look-up table which, for example, assigns several of a total of 256 different input characters to one of, for example, 16 power-consuming elements. The different power-consuming part of the power consuming box must then only 16 power consuming elements instead of 256 include 256 if a total of 256 different input characters (ie input characters that can accept 256 different values) to be processed.

Die sich auf Blockebene unterscheidenden Varianten der stromverbrauchenden Box schließen somit eine Variante ein, bei der die stromverbrauchende Box für jedes Eingangszeichen eine individuelle Kombination einzelner oder mehrerer Logikgatter oder Transistoren als stromverbrauchende Komponenten aufweist, wobei die jeweilige Kombination der Logikgatter oder Transistoren dann genau einem Eingangszeichenwert zugeordnet ist.The at block level differing variants of power consuming Box close thus a variant in which the power consuming box for each Input character an individual combination of one or more Logic gates or transistors as power consuming components wherein the respective combination of the logic gates or transistors then assigned to exactly one input character value.

In einer alternativen Variante kann die stromverbrauchende Box auch eine Anzahl unterschiedlicher Kombinationen einzelner oder mehrerer Logikgatter oder Transistoren als stromverbrauchende Komponenten aufweisen, die geringer ist als die Anzahl unterschiedlicher Eingangszeichen, die durch die stromverbrauchende Box zu verarbeiten sind. In dieser Variante weist die stromverbrauchende Box dann vorzugsweise eine Zuordnungstabelle (Look-Up-Tabelle) auf, die ein jeweiliges Eingangszeichen einer der verschiedenen Kombinationen einzelner oder mehrerer Logikgatter oder Transistoren als stromverbrauchende Komponenten zuordnet. In diesem Fall kann dann eine jeweilige der verschiedenen Kombinationen einzelner oder mehrerer Logikgatter oder Transistoren auch von unterschiedlichen Eingangszeichen angesprochen werden, wobei diese Eingangszeichen der jeweiligen Kombination von Logikgattern oder Transistoren über die Zuordnungstabelle eindeutig zugeordnet sind.In an alternative variant, the power consuming box also a number of different combinations of one or more Logic gates or transistors as power consuming components which is less than the number of different input characters, which are to be processed by the power consuming box. In this Variant, the power consuming box then preferably one Assignment table (look-up table), which is a respective input character one of the various combinations of single or multiple logic gates or assign transistors as power consuming components. In this Case can then be a respective one of the various combinations of individual or more logic gates or transistors also of different input characters be addressed, these input characters of the respective Combination of logic gates or transistors across the allocation table unique assigned.

Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten sind der nachfolgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele zu entnehmen.Further preferred embodiments are the following description of preferred embodiments.

Solche Ausführungsbeispiele sollen nun mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigen:Such embodiments will now be explained in more detail with reference to the figures. From the figures demonstrate:

1 den Stromverbrauch einer Substitutionsbox für 16 unterschiedliche Eingangszeichen; 1 the power consumption of a substitution box for 16 different input characters;

2 den Stromverbrauch der Substitutionsbox gemäß 1 für 16 unterschiedliche Eingangszeichen sowie die Stärke eines für ein jeweiliges Eingangszeichen von einer stromverbrauchenden Box aufzunehmenden Offsetstroms; 2 the power consumption of the substitution box according to 1 for 16 different input characters as well as the strength of an offset current to be received for a respective input character from a power consuming box;

3 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Verschlüsselungseinheit; 3 a schematic block diagram of an encryption unit according to the invention;

4 eine spezielle Ausführungsvariante der Verschlüsselungsbox aus 3; und 4 a special embodiment of the encryption box 3 ; and

5 eine Detailansicht der stromverbrauchenden Box in der Verschlüsselungseinheit aus 4. 5 a detailed view of the power consuming box in the encryption unit 4 ,

3 ist zu entnehmen, dass die dort abgebildete, erfindungsgemäße Verschlüsselungseinheit 10 neben einer üblichen Substitutionsbox 20 auch eine stromverbrauchende Box 30 aufweist. Sowohl die Substitutionsbox 20 als auch die stromverbrauchende Box 30 sind mit einem Dateneingang 12 der Verschlüsselungseinheit 10 verbunden. Darüber hinaus besitzt die Verschlüsselungseinheit 10 einen Datenausgang 14, der mit einem entsprechenden Ausgang der Substitutionsbox 20 verbunden ist. 3 It can be seen that the encryption unit according to the invention shown there 10 next to a usual substitution box 20 also a power consuming box 30 having. Both the substitution box 20 as well as the power consuming box 30 are with a data input 12 the encryption unit 10 connected. In addition, the encryption unit owns 10 a data output 14 that with a corresponding output of the substitution box 20 connected is.

Die Substitutionsbox 20 ist durch eine geeignete Kombination logischer Gatter in Hardware implementiert und so ausgebildet, dass sie ein jeweiliges Eingangszeichen eines über den Dateneingang 12 eingehenden Datenstroms durch ein Ausgangszeichen ersetzt und so einen ausgehenden Datenstrom erzeugt, der dann am Datenausgang 14 der Verschlüsselungseinheit 10 anliegt. In bekannter Manier ordnet die Substitutionsbox 10 jedem möglichen von beispielsweise 256 oder 16 verschiedenen Eingangszeichen genau eines von entsprechend 256 oder 16 verschiedenen Ausgangszeichen zu Diese Zuordnung eines jeweiligen Eingangszeichens zu einem Ausgangszeichen, oder genauer gesagt, dieses Ersetzen eines jeweiligen Eingangszeichens durch ein Ausgangszeichen hat je nach Eingangszeichen (oder genauer: je nach Wert des Eingangszeichens) einen unterschiedlichen Stromfluss durch die Substitutionsbox, also eine unterschiedliche Stromaufnahme der Substitutionsbox zur Folge. Der Stromfluss tritt üblicherweise dann auf, wenn ein Taktsignal, welches an der Verschlüsselungseinheit und damit auch an der Substitutionsbox und der stromverbrauchenden Box anliegt, eine eingehende Flanke aufweist. Ein entsprechender Takteingang für ein Taktsignal ist in der in 3 abgebildeten schematischen Darstellung der Verschlüsselungseinheit 10 nicht dargestellt, da ein solcher Takteingang ein für den Fachmann nicht näher erläuterungsbedürftiges Merkmal darstellt.The substitution box 20 is implemented by a suitable combination of logic gates in hardware and adapted to receive a respective input character one via the data input 12 incoming data stream is replaced by an output character and so generates an outgoing data stream, which then at the data output 14 the encryption unit 10 is applied. In a known manner, the substitution box arranges 10 This assignment of a respective input character to an output character, or more precisely, this replacement of a respective input character with an output character has, depending on the input character (or more precisely: depending on Value of the input character) results in a different current flow through the substitution box, ie a different current consumption of the substitution box. The current flow usually occurs when a clock signal which is applied to the encryption unit and thus also to the substitution box and the power consuming box, has an incoming edge. A corresponding clock input for a clock signal is in the in 3 pictured schematic representation of the encryption unit 10 not shown, since such a clock input represents a non-descript for the skilled person feature.

Die vom Wert eines jeweiligen Eingangs abhängige Stromaufnahme der Substitutionsbox ist für eine Substitutionsbox wie die Substitutionsbox 20 aus 3, die beispielsweise 16 unterschiedliche Eingangswerte verarbeiten kann, in 1 beispielhaft dargestellt. In diesem Beispiel kann jedes Eingangszeichen beispielsweise durch 4 Bit (oder ein halbes Byte) repräsentiert werden, so dass sich insgesamt 16 unterschiedliche Werte und damit unter 16 unterschiedliche Eingangszeichen ergeben.The current consumption of the substitution box, which depends on the value of a particular input, is like the substitution box for a substitution box 20 out 3 for example, 16 different ones Can process input values, in 1 exemplified. In this example, each input character may be represented, for example, by 4 bits (or half a byte), resulting in a total of 16 different values, and therefore 16 different input characters.

Da die unterschiedliche Stromaufnahme der Substitutionsbox 20 je nach Wert des Eingangszeichens grundsätzlich zu messen ist und einen Rückschluss auf den eingehenden Datenstrom zulässt, weist die Verschlüsselungseinheit 10 neben der Substitutionsbox 20 die stromverbrauchende Box 30 auf, die so gestaltet ist, dass sie eine vom Wert eines Eingangszeichens abhängige Stromaufnahme besitzt, die hinsichtlich der Stromstärke so bemessen ist, dass die Summe der Stromaufnahme von Substitutionsbox und stromverbrauchender Box – also die Summe der Stärke eines durch die Substitutionsbox und der Stärke eines durch die stromverbrauchende Box fließenden Offsetstroms im Falle der Verarbeitung eines Eingangszeichens – für alle Eingangszeichen möglichst identisch ist. Durch die stromverbrauchende Box fließt somit bei der Verarbeitung eines jeweiligen Eingangszeichens ein vom Wert des Eingangszeichens abhängiger Offsetstrom, der an die Stromaufnahme der Substitutionsbox bei der Verarbeitung desselben Eingangszeichens angepasst ist und Schwankungen der Stromaufnahme der Substitutionsbox bei der Verarbeitung unterschiedlicher Eingangszeichen ausgleicht, wie dies in 2 dargestellt ist.Because the different current consumption of the substitution box 20 depending on the value of the input character is basically to measure and allows a conclusion on the incoming data stream, the encryption unit 10 next to the substitution box 20 the power consuming box 30 designed to have a current input dependent on the value of an input character, which is so dimensioned in terms of amperage that the sum of the current consumption of the substitution box and the power consuming box - ie the sum of the strength of one through the substitution box and the strength of one through the power consuming box flowing offset current in the case of processing an input character - is identical for all input characters as possible. By the power consuming box thus flows in the processing of a respective input character dependent on the value of the input character offset current, which is adapted to the current consumption of the substitution box in the processing of the same input character and compensates for fluctuations in the current consumption of the substitution box in the processing of different input characters, as in 2 is shown.

2 zeigt an einem Beispiel eine Verschlüsselungseinheit zur Verarbeitung von 16 unterschiedlichen Eingangszeichen, wie jeweils die Stromaufnahme 40 der Substitutionsbox 20 und die Stromaufnahme 50 (der Offsetstrom) der stromverbrauchenden Box 30 vom Wert des jeweiligen Eingangszeichens anhängt. 2 shows an example of an encryption unit for processing 16 different input characters, such as the current consumption 40 the substitution box 20 and the power consumption 50 (the offset current) of the power consuming box 30 depends on the value of the respective input character.

Die stromverbrauchende Box 30 kann in unterschiedlicher Weise in Hardware implementiert sein.The power consuming box 30 can be implemented in hardware in different ways.

Die stromverbrauchende Box umfasst stromverbrauchende Elemente, die entweder jeweils genau einem möglichen Wert eines Eingangszeichens zugeordnet sind oder die mehreren, unterschiedlichen Werte des Eingangszeichens zugeordnet sein können. Die stromverbrauchenden Elemente sind in einer Ausführungsvariante der stromverbrauchenden Box aus logischen Gattern wie NAND, NOR oder dergleichen aufgebaut. Die Gatter sind dabei so miteinander kombiniert, dass sich für ein jeweiliges Eingangszeichen der gewünschte Offsetstrom, also die gewünschte Stromaufnahme der stromverbrauchenden Box ergibt. Eine genauere Anpassung des Offsetstroms an die unterschiedliche Stromaufnahme der Substitutionsbox 20 kann dadurch erfolgen, dass anstelle von oder zusätzlich zu vollständigen, mehrere Transistoren umfassenden Logikgattern einzelne Transistoren so miteinander verschaltet sind, dass sich der gewünschte Stromverbrauch ergibt.The power-consuming box comprises power-consuming elements, which are either each assigned to exactly one possible value of an input character or which can be assigned to several, different values of the input character. The power consuming elements are constructed in a variant of the power consuming box of logic gates such as NAND, NOR or the like. The gates are in this case combined with one another in such a way that the desired offset current, that is to say the desired current consumption of the power consuming box, results for a respective input signal. A more precise adaptation of the offset current to the different current consumption of the substitution box 20 This can be done in that instead of or in addition to complete, multi-transistor logic gates individual transistors are interconnected so that there is the desired power consumption.

Neben diesen verschiedenen Varianten für den Aufbau stromverbrauchender Elemente der stromverbrauchenden Box 30 können die stromverbrauchenden Elemente auch unterschiedlich arrangiert sein.In addition to these different variants for the construction of power consuming elements of the power consuming box 30 The power consuming elements can also be arranged differently.

Zum einen kann, wie schon angedeutet, für jeden möglichen Wert des Eingangszeichens ein eigenes stromverbrauchendes Element vorgesehen sein, das dann einem jeweiligen Eingangszeichen eindeutig zugeordnet ist. Wenn die Eingangszeichen beispielsweise 256 verschiedene Werte annehmen können, muss die stromverbrauchende Box in diesem Fall auch 256 stromverbrauchende Elemente aufweisen.To the one can, as already indicated, for every possible value of the input character be provided a separate power-consuming element, then is uniquely assigned to a respective input character. If For example, the input characters may have to assume 256 different values the power consuming box in this case also 256 power consuming Have elements.

Um den Aufbau der stromverbrauchenden Box zu vereinfachen kann für solche unterschiedlichen Werte von Eingangszeichen, die einen annähernd gleichen Offsetstrom erfordern, jeweils ein gemeinsames stromverbrauchendes Element vorgesehen sein, das dann nicht nur von genau einem Eingangszeichen angesteuert werden kann, sondern von mehreren. Um in diesem Falle für jedes stromverbrauchende Element eine eindeutige Zuordnung zu den Werten von Eingangszeichen herzustellen, die ein jeweiliges stromverbrauchendes Element ansprechen sollen, ist vorzugsweise eine Look-Up Tabelle 32 vorgesehen, die einem alle stromverbrauchenden Elemente umfassenden stromverbrauchenden Teil 34 der stromverbrauchenden Box 30 vorgeschaltet ist. Dieser Fall ist in 4 abstrakt dargestellt.To simplify the structure of the power consuming box can be provided for each of these different values of input characters that require an approximately equal offset current, a common power consuming element, which can then be driven not only by exactly one input character, but by several. In this case, for each power-consuming element to make a clear assignment to the values of input characters which are to address a respective power-consuming element, it is preferably a look-up table 32 provided, the power consuming part comprising all power consuming elements 34 the power consuming box 30 upstream. This case is in 4 shown in abstract.

5 zeigt in einer Detaildarstellung eine solche stromverbrauchende Box 30 mit Look-Up-Tabelle 32 und einem stromverbrauchenden Teil 34. Wie 5 zu entnehmen ist, besitzt der stromverbrauchende Teil 34 der stromverbrauchenden Einheit 30 insgesamt 5 stromverbrauchende Elemente, die jeweils mit 1 mA, 2 mA, 3 mA, 4 mA und 5 mA bezeichnet sind. 5 shows in a detailed view of such a power-consuming box 30 with look-up table 32 and a power consuming part 34 , As 5 can be seen, has the power consuming part 34 the power consuming unit 30 all in all 5 current-consuming elements, each labeled 1 mA, 2 mA, 3 mA, 4 mA and 5 mA.

Die Look-Up-Tabelle 32 ist so gestaltet, dass auf ein jeweiliges Eingangszeichen hin entsprechend dem Wert des Eingangszeichens und damit entsprechend der Größe des erforderlichen Offsetstroms eine oder mehrere der stromverbrauchenden Elemente des stromverbrauchenden Teils 34 der stromverbrauchenden Einheit 30 angesteuert werden. Mithin ist das jeweilige stromverbrauchendes Element nicht eindeutig einem möglichen Wert eines Eingangszeichens zugeordnet, sondern kann von mehreren Eingangszeichen angesprochen werden. Umgekehrt kann ein Eingangszeichen dazu führen, dass mehrere stromverbrauchende Elemente parallel zueinander angesteuert werden, um den für das jeweilige Eingangszeichen benötigten Offsetstrom fließen zu lassen.The look-up table 32 is designed so that, depending on the value of the input character and thus according to the size of the required offset current one or more of the current-consuming elements of the power consuming part of a respective input signal 34 the power consuming unit 30 be controlled. Consequently, the respective current-consuming element is not unambiguously associated with a possible value of an input character, but can be addressed by a plurality of input characters. Conversely, an input character can lead to several power-consuming elements are driven in parallel to each other to allow the required for the respective input signal offset current flow.

Claims

Encryption unit ( 10 ) with a data input for an incoming data stream of input characters and a data output for an outgoing data stream of output characters, wherein a substitution box (between the data input and the data output) ( 20 ) is arranged, which is formed in each case an input character of the incoming data stream through a through the substitution box ( 20 ) to replace an output character assigned to a respective input character and thus to generate the outgoing data stream, characterized in that the encryption unit ( 10 ) a power consuming box (also connected to the data input) ( 30 ), which is designed to initiate a current flow simultaneously with the replacement of the one respective input character by an output signal, the respective current flow having a current determined by the respective input signal which is dimensioned such that the sum of the strength of the signal from the substitution box ( 20 ) for the replacement of the respective input character by a corresponding output signal recorded power and that of the power consuming box ( 30 ), is constant for all possible input characters, at least in the context of the options given with standard elements of a logic circuit such as logic gates or transistors, and wherein the power consuming box ( 30 ) has no data output.

Encryption unit according to claim 1, characterized in that the power consuming box ( 30 ) Comprises logic gates as power consuming components.

Encryption unit according to claim 1, characterized in that the power consuming box ( 30 ) comprises individual transistors as power consuming components.

Encryption unit according to claim 2 or 3, characterized in that the power consuming box ( 30 ) for each possible input character comprises a respective own combination of single or multiple logic gates or transistors, which are each addressed exactly by a single input character.

Encryption unit according to claim 2 or 3, characterized in that the power consuming box ( 30 ) comprises various combinations of one or more logic gates or transistors as power consuming components addressed by a respective input character, some of which combinations are associated with exactly one or more input characters.

Encryption unit according to claim 5, characterized in that the power consuming box ( 30 ) an allocation table ( 32 ) associating a respective input character with one or more power consuming components of the power consuming box.