CN116599639A - 一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法与系统，属于网络安全侧信道分析技术领域。所述方法将密码芯片采集到的侧信道波形分割为带操作编号的波形段，并将其降维，在低维空间上进行聚类，得到两个集合，记为集合A和集合B；根据已知的密钥推出每个波形段的正确操作，并标记到各波形段对应的点，从而得到两个集合，记为集合C和集合D；假设A与C对应、B与D对应，则将属于A但不属于C的点和属于B但不属于D的点加入集合E。设定一个阈值α，若E中点的个数小于α，则判定该方法实现不能抵抗简单能量/电磁分析；否则判定则相反。本方法与系统能够跳出肉眼观察和主观判断，用更加客观公正的角度来评估密码产品的安全性。
Description
技术领域
本发明属于网络安全侧信道分析技术领域，涉及一种对密码芯片侧信息波形段进行聚类划分、并给出结果以检验产品安全性的方法与系统，具体涉及一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法与系统。
背景技术
现代密码技术通常实现于一台密码设备，其典型形态是U盾、智能卡、密码卡、密码机等，其核心包含密码算法和密钥的密码芯片。当密码芯片实现密码服务时，其输入为明文，输出一般为密文或签名值。在侧信道分析测评领域，当密码芯片在运行过程中，检测人员可以采集到设备消耗的能量、辐射的电磁、花费的时间等物理信息并对此进行分析。检测机构可以通过能否借助这些信息恢复密钥来检验一个密码芯片的安全性。
我们以256比特椭圆曲线数字签名算法的核心运算——标量乘为例进行说明。在没有增加抗侧信道攻击防护对策时，通常需要执行约384个操作，对于每比特的密钥，若值为0，只执行一次点加操作；若值为1，需要先执行一次点加操作，再执行一次倍点操作。而在增加了“伪操作”型侧信道防护时，无论密钥为0还是1，都需要执行点加、倍点两种操作。这里我们以无防护情况下的384个操作为例进行说明。
针对ECC数字签名算法实现的简单能量分析(简单电磁分析与之类似)方法进行安全性检验时，一般步骤为：
首先将密码芯片进行一次ECC签名过程采集到的一条能量波形根据操作不同分割为带操作编号的波形段，并对每个波形段进行降维。这里我们以二维为例进行说明，以降维得到的两个维度作为横纵坐标，将384个操作对应的波形段映射到二维空间，每个波形段对应二维空间中的一个点；
然后在二维空间中，将降维后的波形段进行聚类，结果得到的两个集合分别记为集合A和集合B；
最后通过观察集合A和集合B两类之间是否存在一定距离，来判断敌手能否通过聚类分析恢复出密钥，进而得出该密码芯片的安全与否。
该密码芯片的安全性检验方法具体内容参考自Johann Heyszl,Andreas Ibing,Stefan Mangard,Fabrizio De Santis,and Georg Sigl在2013年CARDIS上发表的论文《Clustering Algorithms for Non-profiled Single-Execution Attacks onExponentiations》。现有方法的问题在于，专业技术人员在测评时，只能通过肉眼观察来判断聚类结果的成功与否，带有强烈的主观意识；同时，因为缺少可量化的衡量标准，很难对设备的安全性评估出一个具体的等级。因此，需要使用一种客观的测评方法、建立一个可量化的衡量标准，以更好的测评密码产品的安全性。
发明内容
本发明的目的是为了解决鉴于现有测评方案主观性太强、难以划分安全等级的缺陷的问题，从客观公正的视角出发，为基于聚类的密码芯片侧信息泄露的安全性测评建立了量化的衡量标准；同时，为了保证该方法能在实际运用中具有较高的可用性、以及简单快捷的可操作性，建立了一个基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法，包括如下步骤：
步骤1：将密码芯片进行密码运算时采集到的能量或电磁等侧信道波形根据操作不同分割为带操作编号的波形段，并将其降维至低维空间，将每个操作对应的波形段映射为低维空间上的一个点，每个点记录其操作编号；
步骤2：在低维空间上将各波形段对应的点进行聚类，结果得到两个集合，记为集合A和集合B；
步骤3：根据已知的密钥推出每个波形段的正确操作，并标记到低维空间上各波形段对应的点，从而得到两个集合，记为集合C和集合D；
步骤4：分两种情况进行讨论。情况1假设A与C对应、B与D对应，则将属于A但不属于C的点和属于B但不属于D的点加入集合E。情况2假设A与D对应、B与C对应，则将属于A但不属于D的点和属于B但不属于C的点加入集合F；
步骤5：设定一个阈值α，若E中点的个数小于α、或者F中点的个数小于α，则判定该方法实现不能抵抗简单能量/电磁分析；否则判定该方法实现能够抵抗简单能量/电磁分析。
本发明还公开了一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量系统，用于实现所述一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法。所述一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量系统包括采集模块、切分模块、降维模块、聚类模块和分析模块。
采集模块：用于采集被测评的密码芯片将进行密码运算时泄露的能量或电磁等侧信道信息，即对密码芯片安全性进行测评的数据依据。采集到的信息的形式为泄露信息在时间轴上变化的波形；
切分模块：用于将采集模块采集到的能量或电磁等侧信道波形根据操作不同分割为多个波形段。为了依照顺序进行比对，每个波形段都按照时间轴上的排列顺序设置一个编号，以保证有序；
降维模块：用于将切分模块得到的每段波形降维至低维空间，以实现使用更少的变量来表示原始变量。降维后每个操作对应的波形段被映射为低维空间上对应的一个点，同时，每个点仍记录其编号以保证有序。经过降维模块处理后，波形段可以去除一些冗余特征，同时仍保留原始特征的绝大部分信息；
聚类模块：用于将降维模块处理后得到的波形段集合按照指定的划分标准划分成多个不同的集合，并且使得同一个集合内的波形段的相似性尽可能大，同时不在同一个集合内的波形段的差异性也尽可能的大。经过聚类模块处理后，可以得到多个类型的波形段。聚类模块提供多种聚类方法，包括K-Means、DBSCAN、Mean-Shift、高斯混合聚类、层次聚类；
分析模块：用于根据已知密钥推出每个波形段的正确操作，并标记到分析模块中输出的低维空间上各波形段对应的点上，使二者一一对应。按照发明内容中所述的具体测评方法，在低维空间上标记出分析错误的点。分析模块最终输出的结果为聚类分析错误的点的个数及其占所有点的个数的比率。依据此比率制定可量化的安全性测评分级标准，最终给被测密码芯片评出一个具体的安全性等级作为测评的结论。
有益效果
1.相比于现有测评方法，本方法与系统能够跳出肉眼观察和主观判断，用更加客观公正的角度来评估密码产品的安全性。
2.相比于现有测评方法，本方法与系统能够根据与已知密钥不符的点的个数的多少，建立可量化的分级标准，最终给被测密码芯片评出一个具体的安全性等级作为测评的结论。
3.相比于现有测评方法，本方法与系统建立并完善了一个安全性测评系统，测评人员可以通过简单便捷的操作去实现一系列自动化的测评步骤，进而快速得到测评结果。并且该测评系统的可用性、可靠性、功能性均经过了科学严谨的测试，认为测评系统给出的结论是值得信任的。
附图说明
图1为一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法的流程图；
图2为采集模块控制界面示意图；
图3为切分模块控制界面示意图；
图4为降维模块控制界面示意图；
图5为降维后的能量波形段；
图6为降维至二维的可视化图形；
图7为聚类模块控制界面示意图；
图8为聚类分析的可视化图形；
图9为聚类模块控制界面示意图；
图10为已知密钥对应的可视化图形；
图11为标记出聚类分析错误的点的可视化图形；
图12为第一个密码芯片的测评系统界面；
图13为第二个密码芯片的测评系统界面。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，下面结合附图及实施例对本发明方法与系统做进一步详细说明。在实施实例中，为更好地体现利用本方法对密码芯片进行安全性测评的效果，将在同使用ECC算法进行签名的两个不同的密码芯片上分别做实验，所有附图均为左右两边分别对应不同设备。
实施例
如图1所示，一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法与系统，包括以下步骤：
步骤1：使用采集模块采集密码芯片进行密码运算时采集到的能量或电磁等侧信道波形，使用切分模块根据操作不同将采集到的波形分割为384个带操作编号的波形段，并使用降维模块将每段波形降维至低维空间上一个标记编号的点。
步骤1.1：本发明系统的采集模块可以提供示波器型号的选择、采集通道、触发通道、采样率、采样点数、时间基、时间延时、量程、量程偏移、触发电压、触发方向、触发延时等参数，同时编写后台程序来控制示波器采集到的有效的功耗或者电磁波形。操作采集模块采集该智能卡泄露的侧信道信息时的控制界面如图2所示。
步骤1.2：示例中采用的被测设备是ECC椭圆曲线签名算法实现的智能卡，其密钥长度为256比特。在无防护的情况下，执行一次签名过程需要执行约384个操作。使用本发明系统的切分模块根据操作不同将采集模块采集到的波形分割为384个带操作编号的波形段，操作切分模块时的控制界面如图3所示。
步骤1.3：使用降维模块将每段波形降维至低维空间上一个标记编号的点。在示例中，把原始波形段降维到了二维空间，采用的降维方法是主成分分析方法，这种无监督降维方法可以把多个变量化为少数几个由原始变量线性组合得到的主成分，而这些主成分能够反映原始变量的绝大部分信息。操作降维模块时的控制界面如图4所示。以波形段0～63为例，降维得到的结果如图5所示。
降维可以用原始变量的线性组合作为新的变量来表示原始数据，将这两个变量分别作为横纵坐标绘制可视化图形，得每个波形段对应图中的一个点，并记录每个点的编号。可视化图形结果如图6所示。
步骤2：使用聚类模块进行操作，在低维空间上将各波形段对应的点进行聚类，结果得到两个集合，记为集合A和集合B；
本发明系统的聚类模块提供多种聚类方法，包括K-Means、DBSCAN、Mean-Shift、高斯混合聚类、层次聚类，并且每个方法都可以设置所需的参数。示例中采用的是高斯混合聚类方法，设置参数指定目标簇的个数为2。操作聚类模块时的控制界面如图7所示。
在步骤2得到的可视化图形上，将聚类得到的集合A、集合B中的点添加不同的颜色，以区分两个集合，集合中的元素是带编号的波形段。得到的可视化图形如图8所示。
步骤3：使用分析模块进行操作，根据已知的密钥推出每个波形段的正确操作，并标记到低维空间上各波形段对应的点，从而得到两个集合，记为集合C和集合D。
在示例中选用的密钥长度为256比特，密钥内容为F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0F0F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0。在分析模块中填入正确密钥，操作分析模块时的控制界面如图9所示。
将密钥对应的二进制数据逐比特拆分，若值为0，只执行一次点加操作；若值为1，需要先执行一次点加操作，再执行一次倍点操作。该密钥的点加和倍点的操作共384次，与切分得到的384条波形段对应。拆分密钥得到两个集合，记为集合C和集合D，集合中的元素是带编号的波形段。将集合C、集合D中的点添加不同的颜色，以区分两个集合。得到的图形如图10所示。
步骤4：分两种情况进行讨论。情况1假设A与C对应、B与D对应，则将属于A但不属于C的点和属于B但不属于D的点加入集合E。情况2假设A与D对应、B与C对应，则将属于A但不属于D的点和属于B但不属于C的点加入集合F。
如果E中的分析失败的点的个数较少，说明根据侧信道采集到的能量泄露信息，通过聚类分析的方法就能以一定的容错率还原出密钥，进而说明该密码芯片的安全性不高；E中分析失败的点数多时则相反。将集合E或者集合F中的点在所有点中标记出来，如图11所示，其中红色为集合E或者集合F中的点，即为聚类分析错误的点，灰色的点为分析正确的点。
步骤5：设定一个阈值α，若E中点的个数小于α、或者F中点的个数小于α，则判定该方法实现不能抵抗简单能量/电磁分析；否则判定该方法实现能够抵抗简单能量/电磁分析。
例如，我们假设攻击者进行穷搜的最大能力是50比特(约为256比特密钥长度的20％)，当E中点数低于50时，我们将该密码实现判定为不安全。
此外，可以建立不同的量化衡量标准以评定密码芯片的安全性等级，要注意为了保证该等级的客观性，这个量化标准必须是一致的。为使其适用于不同的应用场景，可以采取集合E中分析失败的操作的个数占总操作的个数的比值作为评级指标，示例评级标准如表1所示。
表1安全性测评示例评级标准
经过统计，在对左边的密码芯片泄露的侧信息进行聚类分析时，分析失败的点的个数为0，占总操作的0％；而右边的密码芯片分析失败的操作的个数为161，占总操作的41.927％。由此可以得出测评结论：左侧对应的设备的安全性等级为极不安全，右侧对应的设备的安全性等级为安全。本测评系统对于示例中的两个密码芯片的操作的测评系统界面分别如图12、13所示。
以上所述为为体现本发明方法与系统效果的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将密码芯片进行密码运算时采集到的能量或电磁等侧信道波形根据操作不同分割为带操作编号的波形段，并将其降维至低维空间，将每个操作对应的波形段映射为低维空间上的一个点，每个点记录其操作编号；
步骤2：在低维空间上将各波形段对应的点进行聚类，结果得到两个集合，记为集合A和集合B；
步骤3：根据已知的密钥推出每个波形段的正确操作，并标记到低维空间上各波形段对应的点，从而得到两个集合，记为集合C和集合D；
步骤4：分两种情况进行讨论，情况1假设A与C对应、B与D对应，则将属于A但不属于C的点和属于B但不属于D的点加入集合E；情况2假设A与D对应、B与C对应，则将属于A但不属于D的点和属于B但不属于C的点加入集合F；
步骤5：设定一个阈值α，若E中点的个数小于α、或者F中点的个数小于α，则判定该方法实现不能抵抗简单能量/电磁分析；否则判定该方法实现能够抵抗简单能量/电磁分析。
2.一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量系统，用于实现如权利要求1所述的一种基于聚类的密码芯片侧信息泄露量化度量方法，其特征在于：包括采集模块、切分模块、降维模块、聚类模块和分析模块；
所述采集模块用于采集被测评的密码芯片将进行密码运算时泄露的能量或电磁等侧信道信息，即对密码芯片安全性进行测评的数据依据，采集到的信息的形式为泄露信息在时间轴上变化的波形；
所述切分模块用于将采集模块采集到的能量或电磁等侧信道波形根据操作不同分割为多个波形段，为了依照顺序进行比对，每个波形段都按照时间轴上的排列顺序设置一个编号，以保证有序；
所述降维模块用于将切分模块得到的每段波形降维至低维空间，以实现使用更少的变量来表示原始变量，降维后每个操作对应的波形段被映射为低维空间上对应的一个点，同时，每个点仍记录其编号以保证有序，经过降维模块处理后，波形段可以去除一些冗余特征，同时仍保留原始特征的绝大部分信息；
所述聚类模块用于将降维模块处理后得到的波形段集合按照指定的划分标准划分成多个不同的集合，并且使得同一个集合内的波形段的相似性尽可能大，同时不在同一个集合内的波形段的差异性也尽可能的大，经过聚类模块处理后，可以得到多个类型的波形段，聚类模块提供多种聚类方法，包括K-Means、DBSCAN、Mean-Shift、高斯混合聚类、层次聚类；
所述分析模块用于根据已知密钥推出每个波形段的正确操作，并标记到分析模块中输出的低维空间上各波形段对应的点上，使二者一一对应，按照发明内容中所述的具体测评方法，在低维空间上标记出分析错误的点，分析模块最终输出的结果为聚类分析错误的点的个数及其占所有点的个数的比率，依据此比率制定可量化的安全性测评分级标准，最终给被测密码芯片评出一个具体的安全性等级作为测评的结论。
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