CN103166751A

CN103166751A - 用于保护分组密码免受模板攻击的方法和装置

Info

Publication number: CN103166751A
Application number: CN2012105416635A
Authority: CN
Inventors: E.黑斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-06-19
Also published as: DE102011088502B3; EP2605445B1; EP2605445A1; US20130156180A1

Abstract

用于保护分组密码免受模板攻击的方法和装置。提出一种用于保护利用有效密钥K₀加密的分组密码F免受模板攻击的方法。在此，提供由分组密码F和有效密钥K₀所确定的有效置换F（K₀）和数目N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）。所述N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）由N个哑元密钥K₁，…K_n和分组密码F或分组密码F的逆F^-1来确定。将有效置换F（K₀）和N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）联结成联结H，使得联结H和有效置换F（K₀）得出相同的映射（H=F（K₀））。由此保护在其中使用固定密钥K₀的分组密码F免受模板攻击。另外提出一种用于保护分组密码F免受模版攻击的计算机程序产品和装置。

Description

用于保护分组密码免受模板攻击的方法和装置

技术领域

本发明涉及保护分组密码免受模板攻击。

背景技术

分组密码是一种对称加密方法，其中要加密的明文被分解成长度相等的、例如64位或128位长度的分组序列。每个明文分组都被映射到相同长度的密码分组。分组密码的典型示例为具有组宽度为64位的DES算法（DES，Data Encryption Standard数据加密标准）和分组宽度为128位的AES算法（AES，Advanced Encryption Standard高级加密标准）。常规地当要对大数据量进行加密时使用分组密码。

通常，分组密码的实现有时借助于模板攻击而被攻击。

模板攻击属于侧通道攻击的类别。这是针对密码方法的具体实现的攻击，所述攻击利用了密码流程的物理边际效应。这样的物理边际效应的示例为所需的计算时间、得出的电流谱和电磁辐射。因此，模板攻击不是针对密码方法本身的攻击。

在模板攻击的情况下，出发点是，攻击者具有对密码方法的训练实现的完全访问，所述训练实现在硬件和软件方面与应攻击的实际的目标实现结构相同。在训练实现中，仅仅其实现应被攻击的密码方法的一个或多个密钥不可用。所有模板攻击的共性在于，根据来自明文的一定数目的输入数据以及自己选择的密钥绘制出电流消耗曲线的变化过程并且接着发展出一种模型，该模型尽可能好地描述电流消耗对输入数据的依赖性。这可以称为学习阶段。

在该利用训练实现的学习阶段以后，然后在随后的测量阶段绘出实际的目标平台的取决于未知密钥的电流谱。借助于之前创建的关于输入数据与电流谱之间的关联的模型，然后尝试确定先验未已知的密钥。在理想情况下，这利用唯一的测量就成功。

显然，不总是存在基于模板攻击的攻击场景的特殊情况。因此，例如可以通过逻辑手段防止平台利用可更换的密钥完全进入运作。另外，可以用电子方式锁住潜在的训练平台的密钥存储器，使得实际上不可能利用自己选择的输入数据完全取得所需的测量数据。

但是如果给出模板攻击的可能性，则模板攻击完全是最有效的侧通道攻击。

对抗模板攻击的常规技术措施首先是也可以用于对抗DPA攻击（DPA，Differential Power Analysis，差分功率分析）的相同措施。例如通过对实现进行电平滑，例如通过双轨逻辑，可以减小电流消耗对输入数据的个别的依赖性。另外，密码算法在其流程中例如通过使用随机掩码或者通过在方法流程中引入所谓的“随机等待状态”而被随机化。另外，可以足够频繁地更换所使用的密钥。

但是存在不能通过外部预先给定、例如通过标准来进行密钥更换的实现情况。

发明内容

因此，本发明的任务是，保护在其中使用固定密钥的分组密码免受模板攻击。

因此，提出一种用于保护利用有效密钥（Nutzschlüssel）K₀加密的分组密码F免受模板攻击的方法。在此，提供由分组密码F和有效密钥K₀所确定的有效置换F（K₀）和数目N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）。N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）由N个哑元密钥K₁，…K_n和分组密码F或分组密码F的逆F^-1来确定。有效置换F（K₀）和N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）被联结成联结H，使得联结H和有效置换F（K₀）得出相同的映射（H= F（K₀））。

因此，由分组密码F和密钥K₀所确定的置换F（K₀）被联结成置换的积H＝

，使得始终有H= F（K₀）成立。因此，有效置换F（K₀）有利地隐藏在联结H中，使得减小了成功的模板攻击的可能性。

所使用的密钥K₁，…K_m和K_m+1,…K_n优选地在每次应用F以前重新形成或至少被置换。在此，分组密码G被选择为G＝F或者G＝F^-1。

利用：分组密码的原像集M等于像集，并且根据对密钥的选择分组密码实现到M的置换。集合M的置换的整体形成关于映射的联结“”的组。因此，M的置换可以以任意方式彼此联结。联结的结果总是M的置换。如果f₁和f₂是M的两个任意置换，则经联结的置换

的效果在m表示M的任意元素的情况下由

来定义。因此，置换f₂下的m的像是置换f₁的原像。

在一个实施例中，数目N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）被提供为使得N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）的联结得到分组密码F的原像集M。

置换G（K₁）,…G（K_n）尤其是被选择为使得

是到M的相同映射id_M。相应地，也将置换G（K_m+1），…G（K_n）选择为使得有

成立。

因此，总体上有

成立。

因此，以及

实现了相同映射id_M的冗余表示。

下面的方法显示出，可以如何以简单方式获得相同映射的冗余表示。为了简化标记法，使用。

方法1：

为

的构型

方法2：

为

的构型

方法3：

为

的构型

另外，三个所述方法的任意混合形式是可能的。所述方式同样也对于置换

具有可用性。

方法3尤其是在想要保护三元DES算法的实现时适用。

根据本发明，将原则上总是存在的迭代分组密码的可能性用于保护分组密码的实现免受模板攻击。

常规地，分组密码的迭代仅仅用于提高算法的密钥空间。该方案的已知示例是三元DES，其按照上面的标记法根据对三个密钥的选择引起构型的置换。

通常，分组密码被构造为使得冗余函数被多重迭代。在每个回合中使用新的部分密钥，该部分密钥根据预先给定的方案、即所谓的密钥调度从所选择的密钥中导出。通常，由分组密码F根据对密钥K的选择所形成的置换f——即

——与相关的逆置换

的区别仅仅在于另一密钥调度。因此，

同样可以由分组密码F来实现。

在此，得出一种可非常简单地实现的方法来保护利用固定密钥运行的分组密码免受模板攻击。分组密码的原来的实现可以保持不变，仅仅提高了控制迭代次数——回合函数（Rundenfunktion）——的循环计数器。

密钥调度被修改为使得实现置换的如上所述的序列，参见方法1至方法3。

在另一实施方式中，通过第一构型利用

来实现N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）的联结，其中

，其中G表示分组密码F或者分组密码F的逆F^-1，并且其中K_i表示N个哑元密钥K₁,…K_n，其中i

[1，…n]。

在另一实施方式中，通过第二构型利用

来实现N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）的联结，其中

[1，…n]。

在另一实施方式中，通过第三构型利用

来实现N个哑元置换的联结，其中

[1，…n]。

在另一实施方式中，借助于第三构型来保护三元DES加密的实现。

在另一实施方式中，在每次应用保护以前置换N个哑元密钥K₁,…K_n。

在另一实施方式中，在每次应用保护以前重新形成N个哑元密钥K₁,…K_n。

在另一实施方式中，将有效密钥K₀固定地分配给分组密码F。

此外提出一种计算机程序产品，其在程序控制的设备上促使执行如上所述的用于保护利用有效密钥K₀加密的分组密码F免受模板攻击的方法。

诸如计算机程序装置的计算机程序产品例如可以作为诸如存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD的存储介质或者也以可下载文件的形式从网络中的服务器来提供或供应。这例如可以在无线通信网络中通过传输具有计算机程序产品或计算机程序装置的相应文件来进行。

另外，提出一种用于保护利用有效密钥K₀加密或工作的分组密码F免受模板攻击的装置，该装置具有第一装置、第二装置和第三装置。第一装置被安排为提供由分组密码F和有效密钥K₀确定的有效置换F(K₀)。第二装置被安排为提供数目N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）。N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）由N个哑元密钥K₁,…K_n和分组密钥F或分组密码F的逆F^－1确定。第三装置被安排为将有效置换F(K₀)和N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）联结为联结H，使得联结H和有效置换F(K₀)得出相同的映射（H＝F(K₀)）。

相应的装置可以以硬件技术或者以软件技术来实现。在硬件技术实现的情况下，相应的装置可以被构造成装置或装置的一部分、例如计算机或者微处理器。在软件技术实现的情况下，相应的装置可以被构造成计算机程序产品、函数、例程、程序代码的一部分或者可执行对象。

此外，提出一种具有用于保护利用有效密钥K₀加密的分组密码F免受模板攻击的前述装置的处理器。该装置例如被实现为处理器的CPU（CPU，控制处理单元）的一部分。

附图说明

结合下面对结合附图详细阐述的实施例的描述，本发明的前述特性、特征和优点以及实现这些的方式变得可更加清楚和明了地理解。

图1示出了用于保护分组密码免受模板攻击的方法的实施例的流程图；

图2示出了用于保护分组密码免受模板攻击的装置的实施例的框图；以及

图3示出了具有根据图2的装置的处理器的实施例的框图；以及

图4示出了用于保护分组密码免受模板攻击的装置的另一实施例的框图。

在附图中，除非另行说明，相同或功能相同的元素配备相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出了用于保护利用有效密钥K₀加密的分组密码F免受模板攻击的方法的实施例的流程图。

在步骤101中，提供由分组密码F和有效密钥K₀确定的有效置换F(K₀)。尤其是将有效密钥K₀固定地分配给分组密码F。

在步骤102中，提供数目N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）。所述N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）是由N个哑元密钥K₁,…K_n以及分组密码F或分组密码F的逆F^－1确定的。

在步骤103中，将有效置换F(K₀)和N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）联结为联结H，使得联结H和有效置换F(K₀)得出相同的映射（H＝F(K₀)）。

N个哑元密钥K₁,…K_n优选地在每次应用步骤101至103以前被置换或重新形成。

例如，步骤101至103由计算机程序产品来实现，该计算机程序产品在程序控制的设备上、例如在处理器上促使执行步骤101至103。

图2示出了用于保护利用有效密钥K₀加密的分组密码F免受模板攻击的装置200的实施例的框图。

装置200具有第一装置201、第二装置202和第三装置203。第一装置201被安排为提供由分组密码F和有效密钥K₀确定的有效置换F(K₀)。第二装置202被安排为提供数目N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）。N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）是由N个哑元密钥K₁,…K_n和分组密码F或分组密码F的逆F^－1确定的。第三装置203被安排为将有效置换F(K₀)和N个哑元置换G（K₁）,…G（K_n）联结为联结H，使得联结H和有效置换F(K₀)得出相同的映射（H＝F(K₀)）。

在图3中示出了具有根据图2的装置200的处理器300的实施例的框图。装置200例如被实现为处理器300的CPU 301的一部分，该CPU 301与存储器302耦合。在存储器302中，尤其是可以存储有效密钥K₀和哑元密钥K₁,…K_n。

在图4中示出了用于保护分组密码免受模板攻击的装置400的另一实施例的框图。

图4的装置400具有用于存储密钥K₁,…K_n的密钥存储器401、用于应用装置403的输入402、应用装置403以及应用装置403的输出404。输出404被反馈到输入402上。

应用装置403尤其是集成了图2的第一装置201、第二装置202和第三装置203的功能。

密钥存储器401以所希望的顺序提供密钥K₁,…K_n。加密始于：输入402向应用装置403提供明文m并且应用装置403利用第一密钥K₁执行算法G。在此，明文m被加密成

。该第一密文

从输出404被反馈到输入402中并且由此被反馈到应用装置403中。于是在此被利用密钥K₂加密成

。相应地执行加密，直到使用最后一个密钥K_n。

尽管已经通过优选实施例详细示出和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制并且在不脱离本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员可以由此导出其他变型方案。