CN108011707A - 一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统及方法 - Google Patents

一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统及方法。主要包括功耗采集模块、差分功耗构建模块、实际功耗重构模块与频率安全性分析模块。功耗采集模块主要用于采集硬件加密设备的实测功耗；差分功耗构建模块用于构建设备功耗的差分特征；实际功耗重构模块根据加密设备的差分特性重构不同频率之下的实际功耗；频率安全性分析模块用于对不同工作频率之下的硬件加密设备的安全性进行检测与分析。本发明只需在某一频率之下对硬件加密设备的实际功耗进行采集，即可刻画该设备在不同频率之下运行时的功耗特性，并对其进行侧信道安全性分析。

Description

一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统及方法
技术领域
本发明涉及一种硬件加密设备的安全性分析系统及方法，尤其是涉及一种用于硬件加密设备的频率安全性的分析系统及方法。
背景技术
在过去的十几年内，侧信道分析逐渐成为了密码分析领域中一种极有威胁的分析方法之一。侧信道分析通过采集实际加密设备的功耗、电磁辐射等信息，达到攻击该设备的目的。掩码是一种算法层面的抗侧信道防护方案，通过将中间值随机化的方法，阻断物理功耗与实际密码算法中中间值的相关性。
ISW框架是一种通用的理论框架，该框架并且给出了电路的安全性证明方法，通过该方法，可以判断一个掩码方案是否存在原理方面的安全性缺陷。然而，即使一个掩码方案是可证明安全的，依旧会在实现过程中产生安全性缺陷。
硬件加密设备在添加掩码方案之后，可保证一定程度的安全性。但是即使添加掩码方案之后，加密设备的工作频率也会导致严重的侧信道安全性缺陷，因此如何高效的分析加密设备的频率安全性是现有侧信道安全性的核心问题之一。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种针对硬件加密设备在添加掩码防护之后的侧信道频率安全性分析系统。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种无需采集硬件加密设备在不同频率之下工作时的功耗曲线，即可对该设备进行侧信道频率安全性分析的系统。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，其特征在于，包括
功耗采集模块：对加密设备的实测功耗曲线进行采集，采集时加密设备的工作频率可以任取；
与功耗采集模块连接的差分功耗构建模块：实测功耗曲线进行处理，获取差分功耗；
与差分功耗构建模块连接的实际功耗重构模块：对差分功耗进行处理，其中改变实际功耗重构模块的工作频率参数，获取不同工作频率之下的重构实际功耗；
与实际功耗重构模块连接的频率安全性分析模块：对不同频率的重构实际功耗进行分析，获得不同频率之下的硬件加密设备的安全性，并对安全性进行分析。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，所述的功耗采集模块包括：
功耗采集子模块：对加密设备的实测功耗曲线进行采集，采集方式为使用示波器与加密芯片连接之后在计算机端使用功耗采集子模块进行采集；
功耗存储子模块：用于将功耗采集子模块采集所得的功耗曲线存储于计算机中。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，所述的差分功耗构建模块包括：
差分功耗计算子模块：基于以下计算公式进行差分功耗的计算：
其中HM表示汉明重模型，为一种侧信道分析中常用的泄漏模型，kc为正确秘钥，为不同汉明重j对应的功耗曲线集合，表示集合中元素的数量，ti与Pi为分别第i条功耗曲线和其明文输入；
差分功耗存储子模块：用于将差分功耗计算子模块计算所得的功耗曲线存储于计算机中。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，所述的实际功耗重构模块包括
频率控制子模块：用于对计算重构功耗中所需工作频率参数f进行控制，根据实际需求改变工作频率f的大小；
实际功耗计算子模块：用于对重构功耗P进行计算；
实际功耗存储子模块：用于将实际功耗计算子模块计算所得的重构功耗P存储于计算机中。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，所述的频率安全性分析模块包括：
相关性分析子模块：用于使用相关性分析方法，对实际功耗重构模块所得的重构功耗P进行安全性分析；
互信息分析子模块：用于使用互信息分析方法，对实际功耗重构模块所得的重构功耗P进行安全性分析；
安全性分析子模块：用于对相关性分析子模块与互信息分析子模块所得的分析结果进行综合，并根据重构功耗P所对应的工作频率参数f，发现实际硬件加密设备的频率安全性问题。
一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，其特征在于，所述的分析方法包括以下几个步骤：
步骤1，使用功耗采集模块对加密设备的实测功耗曲线进行采集，采集时加密设备的工作频率可以任取；
步骤2，使用差分功耗构建模块实测功耗曲线进行处理，获取差分功耗；
步骤3，使用实际功耗重构模块对差分功耗进行处理，其中改变实际功耗重构模块的工作频率参数，获取不同工作频率之下的重构实际功耗；
步骤4，使用频率安全性分析模块对不同频率的重构实际功耗进行分析，获得不同频率之下的硬件加密设备的安全性，并对安全性进行分析。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，步骤2中，差分功耗的计算方式如下：
其中HM表示汉明重模型，为一种侧信道分析中常用的泄漏模型，kc为正确秘钥，为不同汉明重j对应的功耗曲线集合，表示集合中元素的数量，ti与Pi为分别第i条功耗曲线和其明文输入。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，步骤3中，重构功耗的计算方法如下：
其α为常数，s为时间采样点，Amp为放大函数，为与中间值x相关的函数，与实际功耗的特性有关；α与Amp可通过对实测功耗曲线进行拟合的方法获得，f为工作频率参数；工作频率参数根据需要评估的频率安全性进行选择，在每次计算重构功耗时，均需要修改工作频率参数，直至将所有频率选择完成为止；最终获得的重构功耗P的数量与选择出的频率的数量相同，均为n个。
在上述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，步骤4中，使用现相关性分析子模块与互信息分析子模块对所有重构功耗P进行分析；不同重构功耗的工作频率参数不同，使用相关性分析或互信息分析对重构功耗P进行分析时，可获得n个不同的分析结果；使用安全性分析子模块对n个不同的结果进行分析，若工作频率参数为f时的重构功耗P是不安全的，则认为该硬件加密电路与工作频率f工作时会产生侧信道安全性隐患。
因此，本发明具有如下优点：1.本发明经济高效，仅需要少量的设备即可对硬件加密设备的频率安全性进行分析并发现安全性隐患。2.本发明无需硬件加密设备通电运行即可对该设备的安全性隐患进行分析。3.本发明可根据用户需求，分析硬件加密设备在特定工作频率之下工作时的安全性隐患。4.用户使用本发明所述的系统或方法可快速选择出硬件加密设备的安全工作频率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明中的功耗采集模块的结构示意图。
图3是本发明中的差分功耗构建模块的结构示意图。
图4是本发明中的实际功耗重构模块的结构示意图。
图5是本发明中的频率安全性分析模块的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
下面通过结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
图1给出了整体设计框架，设计图中主要包含了四大部分：功耗采集模块、差分功耗构建模块、实际功耗重构模块、频率安全性分析模块。
图1中，功耗采集模块对硬件加密设备的功耗进行采集，并将采集完成的功耗数据传入差分功耗构建模块；差分功耗构建模块对实际功耗进行处理，构建差分功耗曲线，并将加密设备的差分功耗曲线传入实际功耗重构模块；实际功耗重构模块使用不同的工作频率，对实际功耗进行重构，并将重构功耗传入频率安全性分析模块；频率安全性分析模块对不同频率的重构功耗的安全性进行分析，最终获得该硬件加密设备的频率安全性。
图2给出了功耗采集模块的整体设计框架，设计图中主要包含了三大部分：上位机、加密设备与示波器。运作过程如下：
1)上位机控制加密设备执行加密操作。
2)上位机控制示波器采集加密设备的功耗。
3)示波器开始采集加密设备的功耗。
4)示波器将功耗信息回传至上位机。
完成上述4个步骤之后，加密设备的功耗数据即已存储在上位机中，供后续流程使用。
图3给出了差分功耗构建模块的整体设计框架，设计图中主要包含了两大部分：差分功耗计算子模块、差分功耗存贮子模块。运作过程如下：
1)差分功耗计算子模块收集功耗采集模块传入的实测功耗，并使用实测功耗计算差分功耗，计算方法如下：
其中HM表示汉明重模型，为一种侧信道分析中常用的泄漏模型，kc为正确秘钥，为不同汉明重j对应的功耗曲线集合，表示集合中元素的数量，ti与Pi为分别第i条功耗曲线和其明文输入。
2)差分功耗存储子模块对差分功耗计算子模块所得的差分功耗进行存储，并将差分功耗传出至实际功耗重构模块。
图4给出了实际功耗重构模块的整体设计框架，设计图中主要包含了三大部分：频率控制子模块实际功耗计算子模块、实际功耗存储子模块。运作过程如下：
1)差分功耗构建模块向实际功耗计算子模块传入差分功耗数据，并且频率控制子模块向实际功耗计算子模块传入不同的工作频率取值，之后实测功耗计算子模块使用差分功耗与工作频率取值计算重构功耗，计算方法如下：
其α为常数，s为时间采样点，Amp为放大函数，为与中间值x相关的函数，与实际功耗的特性有关。α与Amp可通过对实测功耗曲线进行拟合的方法获得，f为工作频率参数。工作频率参数根据需要评估的频率安全性进行选择，在每次计算重构功耗时，均需要修改工作频率参数，直至将所有频率选择完成为止。最终获得的重构功耗P的数量与选择出的频率的数量相同，均为n个。
2)重构功耗计算子模块将重构功耗传入重构功耗存储子模块，重构功耗存储子模块对重构功耗进行存储，并将不同频率的重构功耗传入频率安全性分析模块。
图5给出了频率安全性分析模块的整体设计框架，设计图中主要包含了三大部分：相关性分析子模块、互信息分析子模块、安全性分析子模块。运作过程如下：
1)实际功耗重构模块将不同频率的重构功耗传入相关性分析子模块与互信息分析子模块。
2)相关性分析子模块对重构功耗进行相关性分析，并向安全性分析子模块传入相关性分析结果。相关性分析方法如下：
MI(ts,LM[I(kc,P)])≥MI(ts,LM[I(k,P)])
若上述条件恒成立则认为攻击成功，即加密设备不安全。其中kc为正确密钥，在实际加密电路中，kc为定值，k∈k为任意可能密钥。
3)互信息分析子模块对重构功耗进行互信息分析，并向安全性分析子模块传入互信息分析结果。互信息分析方法如下：
ρ(ts,LM[I(kc,P)])≥ρ(ts,LM[I(k,P)])
若上述条件恒成立则认为攻击成功，即加密设备不安全。其中kc为正确密钥，在实际加密电路中，kc为定值，k∈k为任意可能密钥。
4)安全性分析子模块对相关性分析结果与互信息分析结果进行综合，即若使用相关性分析与互信息分析中任意一种分析方法即可发现实际硬件加密设备在的安全性缺陷，即认为该设备在该频率下不安全。最终安全性分析子模块传出频率安全性分析结果。
本发明具有的理论意义和实际应用价值：1、对硬件加密设备在不同工作频率时进行安全性分析，可获取该设备的安全工作频率，并且该设备的使用者可根据分析结果选择安全的工作频率，有助于保证信息安全。2、对硬件加密设备在不同工作频率时的安全性分析，若使用传统的相关性分析或互信息分析，需要耗费大量的时间与精力，而使用本专利中的方法可显著提高分析的效率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，其特征在于，包括
功耗采集模块：对加密设备的实测功耗曲线进行采集，采集时加密设备的工作频率可以任取；
与功耗采集模块连接的差分功耗构建模块：实测功耗曲线进行处理，获取差分功耗；
与差分功耗构建模块连接的实际功耗重构模块：对差分功耗进行处理，其中改变实际功耗重构模块的工作频率参数，获取不同工作频率之下的重构实际功耗；
与实际功耗重构模块连接的频率安全性分析模块：对不同频率的重构实际功耗进行分析，获得不同频率之下的硬件加密设备的安全性，并对安全性进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，其特征在于，所述的功耗采集模块包括：
功耗采集子模块：对加密设备的实测功耗曲线进行采集，采集方式为使用示波器与加密芯片连接之后在计算机端使用功耗采集子模块进行采集；
功耗存储子模块：用于将功耗采集子模块采集所得的功耗曲线存储于计算机中。
3.根据权利要求1所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，其特征在于，所述的差分功耗构建模块包括：
差分功耗计算子模块：基于以下计算公式进行差分功耗的计算：
其中HM表示汉明重模型，为一种侧信道分析中常用的泄漏模型，kc为正确秘钥，为不同汉明重j对应的功耗曲线集合，表示集合中元素的数量，ti与Pi为分别第i条功耗曲线和其明文输入；
差分功耗存储子模块：用于将差分功耗计算子模块计算所得的功耗曲线存储于计算机中。
4.根据权利要求1所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，其特征在于，所述的实际功耗重构模块包括
频率控制子模块：用于对计算重构功耗中所需工作频率参数f进行控制，根据实际需求改变工作频率f的大小；
实际功耗计算子模块：用于对重构功耗P进行计算；
实际功耗存储子模块：用于将实际功耗计算子模块计算所得的重构功耗P存储于计算机中。
5.根据权利要求1所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析系统，其特征在于，所述的频率安全性分析模块包括：
相关性分析子模块：用于使用相关性分析方法，对实际功耗重构模块所得的重构功耗P进行安全性分析；
互信息分析子模块：用于使用互信息分析方法，对实际功耗重构模块所得的重构功耗P进行安全性分析；
安全性分析子模块：用于对相关性分析子模块与互信息分析子模块所得的分析结果进行综合，并根据重构功耗P所对应的工作频率参数f，发现实际硬件加密设备的频率安全性问题。
6.一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，其特征在于，所述的分析方法包括以下几个步骤：
步骤1，使用功耗采集模块对加密设备的实测功耗曲线进行采集，采集时加密设备的工作频率可以任取；
步骤2，使用差分功耗构建模块实测功耗曲线进行处理，获取差分功耗；
步骤3，使用实际功耗重构模块对差分功耗进行处理，其中改变实际功耗重构模块的工作频率参数，获取不同工作频率之下的重构实际功耗；
步骤4，使用频率安全性分析模块对不同频率的重构实际功耗进行分析，获得不同频率之下的硬件加密设备的安全性，并对安全性进行分析。
7.根据权利要求6所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，其特征在于，步骤2中，差分功耗的计算方式如下：
其中HM表示汉明重模型，为一种侧信道分析中常用的泄漏模型，kc为正确秘钥，为不同汉明重j对应的功耗曲线集合，表示集合中元素的数量，ti与Pi为分别第i条功耗曲线和其明文输入。
8.根据权利要求6所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，其特征在于，步骤3中，重构功耗的计算方法如下：
其α为常数，s为时间采样点，Amp为放大函数，为与中间值x相关的函数，与实际功耗的特性有关；α与Amp可通过对实测功耗曲线进行拟合的方法获得，f为工作频率参数；工作频率参数根据需要评估的频率安全性进行选择，在每次计算重构功耗时，均需要修改工作频率参数，直至将所有频率选择完成为止；最终获得的重构功耗P的数量与选择出的频率的数量相同，均为n个。
9.根据权利要求6所述的一种用于硬件加密设备的频率安全性分析方法，其特征在于，步骤4中，使用现相关性分析子模块与互信息分析子模块对所有重构功耗P进行分析；不同重构功耗的工作频率参数不同，使用相关性分析或互信息分析对重构功耗P进行分析时，可获得n个不同的分析结果；使用安全性分析子模块对n个不同的结果进行分析，若工作频率参数为f时的重构功耗P是不安全的，则认为该硬件加密电路与工作频率f工作时会产生侧信道安全性隐患。
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