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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Datenverarbeitungssysteme
und spezieller Datenverarbeitungssysteme, in denen Verschlüsselungsoperationen
und Schutzmaßnahmen
gegen Stromangriffe (Power Analysis) auf derartige Operationen implementiert
sind.
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Operationen
in Datenverarbeitungssystemen müssen
sehr häufig
in einer sicheren Art und Weise ausgeführt werden. Für eingebettete
Datenverarbeitungsgeräte
und pervasive Systeme ist die Sicherheit der Operationen häufig entscheidend.
Um sichere Operationen und Kommunikation zu gewährleisten, kommen in diesen
Systemen kryptografische Verfahren zum Einsatz.
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Diese
kryptografischen Verfahren müssen
ihrerseits wiederum sicher implementiert werden. Allerdings sind
kryptografische Verfahren Ziel von Angriffen. Eine Art des nicht
invasiven Angriffs auf Datenverarbeitungsgeräte ist als Power Analysis bekannt.
Bei einem Power-Analysis-Angriff wird der Stromverbrauch einer oder mehrerer
Komponente(n) eines Geräts
gemessen, während
das Gerät
ein kryptografisches Verfahren ausführt.
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Die
aus der Überwachung
des Stromverbrauchs des Geräts
gewonnen Daten werden zusammen mit dem Wissen um die von dem Gerät ausgeführten Operationen
genutzt, um die geheimen Informationen auszulesen, die Bestandteil
des kryptografischen Verfahrens sind.
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Eine
Variante des Power-Analysis-Angriffs ist die Differential Power
Analysis (DPA) (siehe beispielsweise „Differential Power Analysis", P. Kocher, CRYPTO'99, Lecture Notes
in Computer Science, 1666, S. 388–397, 1999, Springer-Verlag).
Bei diesem Ansatz wird eine große
Zahl von Eingabewerten generiert, indem verschiedene Bits in Werten,
die mithilfe des in einem Gerät
implementierten kryptografischen Verfahrens codiert werden sollen,
variiert werden. Der DPA-Angriff misst für jeden dieser variierenden
Werte den Stromverbrauch an verschiedenen Punkten in einem Datenverarbeitungsgerät und verwendet
in einer statistischen Analyse die differentiellen Daten, um einen
wahrscheinlichen Schlüssel
für das
kryptografische Verfahren (die geheime Information) zu ermitteln.
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DPA-Angriffe
können
auf die Eingabe oder die Ausgabe von Substitutionstabellen (auch
als Substitutionsboxen oder „S-Boxen" bezeichnet) zielen,
die in kryptografischen Algorithmen üblich und häufig als Lookup-Tabelle realisiert
sind. Eine S-Box wird in der Regel mit einer Kombination aus Bits
und Klartext indiziert. Bei der Ausführung eines Angriffs zum Ermitteln
eines in einem kryptografischen Verfahren benutzten Schlüsselwerts
kontrolliert der Angreifer die Klartextwerte und rät die Schlüsselbits.
Auf der Grundlage dieser geratenen Werte werden Berechnungen anhand
der gewonnenen Stromverbrauchsdaten ausgeführt, um einen Satz DPA-Daten
zu erzeugen. Die DPA-Daten mit dem höchsten Spitzenwert werden verwendet,
um zu bestimmen, welcher der geratenen Schlüsselwerte wahrscheinlich korrekt
war. Wie für
Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich ist, basiert ein anderer
Angriff auf der elektromagnetischen Analyse (EMA) des Geräts, das einen
kryptografischen Prozess ausführt.
Obwohl die nachstehende Beschreibung sich auf Stromangriffe bezieht,
versteht es sich von selbst, dass EMA-Angriffe u. U. dieselben Probleme bereiten.
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Gegen
diese DPA-Angriffe auf die S-Box sind verschiedene Gegenmaßnahmen
bekannt. Messerges ("Securing
the AES Finalists Against Power Analysis Attacks", T. Messerges, FSE 2000, Lecture Notes
in Computer Science, 1978, S. 150–164, 2001, Springer-Verlag)
beschreibt ein Verfahren, bei dem Tabellen mit verschiedener zufälliger Ausgabemaske
innerhalb des kryptografischen Algorithmus häufig neu generiert werden. Allerdings
bringt ein solcher Ansatz relativ hohe Overhead-Kosten für jeden
Regenerierungsschritt mit sich. Um das Latenz-Overhead zu optimieren,
das für
das Regenerieren der Tabellen erforderlich ist, schlägt Itoh („DPA countermeasure
based an the 'masking
method'", K. Itoh et al.,
ICICS 2001, Lecture Notes in Computer Science, 2288, S. 440–456, 2001,
Springer-Verlag) vor, eine feste Anzahl von Fixwerten zum Maskieren
der Substitutionstabellen zu verwenden. Verschiedene Substitutionstabellen
können
vorab definiert und die verschiedenen Tabellen zu unterschiedlichen
Zeiten im kryptografischen System verwendet werden. Allerdings wird
in dem von Itoh offenbarten System bei jedem Aufruf des kryptografischen
Prozesses für
alle Rundenschlüssel
dieselbe Maske verwendet. Ferner besteht die Möglichkeit, dass ein Angreifer
an Informationen gelangt, indem er durch eine einfache Stromanalyse
die kryptografischen Prozesse identifiziert, welche dieselbe Maske
benutzen. Daher ist ein Angreifer, der eine Maske ermittelt und
Zugang zu maskierten Rundenschlüsseln
hat (beispielsweise durch eine Differential Power Analysis erster
Ordnung), möglicherweise
in der Lage, sämtliche
Bits des Master-Schlüssels
und alle Rundenschlüssel
herauszufinden. In derartigen Ansätzen ist, wenn ein Angreifer
die Maske ermittelt, der gesamte Master-Schlüssel gefährdet.
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Ein
weiterer Ansatz beinhaltet das von Patarin beschriebene Duplizierungsverfahren
(
US-Patent 6.658.569 ,
Patarin et al., „Secret
key cryptographic process for protecting a computer system against
attacks by physical analysis"),
das Secret-Sharing-Schemata
zum Ziel hat, bei denen Eingaben in mehrere S-Boxen unterstützt werden.
Die vielfachen Eingaben in die Tabelle werden in eine Variable ν transformiert.
Zusätzlich werden
zwei Tabellenausgaben erzeugt: bei der einen handelt es sich um
eine zufällige
Transformation der Eingabe, A(ν),
die andere ist A(ν)
in einer Exklusiv-ODER(XOR)-Verknüpfung mit S(ν).
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Da
sich jedoch in dem Ansatz von Patarin die zufällige Transformation auf ν nicht verändert, besteht die
Gefahr, dass mit der Zeit ein Angreifer die verwendete zufällige Transformation
herausfindet. Darüber
hinaus hat ein Angreifer, da A(ν)
von der Tabelle ausgegeben wird, die Möglichkeit, Informationen zu
erlangen, indem er eine Stromanalyse zweiter Ordnung (mit Strommustern
von A(ν)
sowie A(ν)
XOR-verknüpft
mit S(ν)) ausführt, um
so einen richtig geratenen Schlüssel
zu erhalten.
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Es
ist möglich,
entweder den Ansatz nach Itoh oder denjenigen nach Patarin zu implementieren,
in denen verschiedene Masken bzw. Transformationen benutzt werden.
Allerdings erfordert die Verwendung einer solchen Vielzahl von maskierten
Tabellen zusätzliche
Speicher-, Stromversorgungs- und Prozessorressourcen, die nicht
immer zur Verfügung
stehen und deren Zuteilung in der Regel nicht wünschenswert ist.
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Demnach
wäre es
vorteilhaft, Maßnahmen
zum Maskieren von Substitutionstabellen zu implementieren, um DPA-Angriffe
abzuwehren, wozu variierende Tabelleneingabe- und -ausgabe-Maskierungswerte
verwendet werden, wobei derartige Schutzmaßnahmen keine wiederholte Regenerierung
von Tabellen oder Neudefinition von Transformationen erfordern und
unterschiedliche Masken für
die verschiedenen Rundenschlüssel
verwendet werden.
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Allgemeines
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Gemäß einem
Aspekt der bevorzugten Ausführungsform
wird eine verbesserte Schutzmaßnahme
für ein
kryptografisches Verfahren oder System bereitgestellt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren
und System bereitgestellt, das das Rotieren von Fixwertmasken und
zugehörigen
maskierten Substitutionstabellen in einem kryptografischen Prozess
vorsieht. Gemäß weiteren
Aspekten der Erfindung können
derartige rotierte Masken für
Substitutionstabellen in kryptografischen Operationen genutzt werden,
die nach dem AES (Advanced Encryption Standard) und dem DES (Data
Encryption Standard) ausgeführt
werden, welche Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das in iterativen
kryptografischen Operationen eingesetzt wird und mit der Maskierung
von Schlüsselwerten
und Substitutionstabellen arbeitet, wobei das Verfahren folgende
Schritte umfasst:
anfängliches
Maskieren eines anfänglichen
Schlüsselwerts,
anfängliches
Definieren einer Gruppe von nicht gleichförmigen Schlüsselverschlüsselungsmasken,
anfängliches
Definieren einer Gruppe von maskierten Substitutionstabellen, wobei
jede maskierte Substitutionstabelle von einer anfänglichen
Substitutionstabelle abgeleitet ist, sodass sie einer aus der Gruppe
von Schlüsselverschlüsselungsmasken
entspricht,
iteratives Ausführen
der kryptografischen Operationen, sodass
jede Iteration der
kryptografischen Operationen den Schritt beinhaltet, einen nachfolgenden
maskierten Schlüsselwert
zu definieren, indem der vorherige maskierte Schlüsselwert
mithilfe einer Schlüsselverschlüsselungsmaske
aus der Gruppe der Schlüsselverschlüsselungsmasken
maskiert wird, und
jede Iteration der kryptografischen Operationen
den nachfolgend definierten maskierten Schlüsselwert und die entsprechende
Tabelle aus der Gruppe der maskierten Substitutionstabellen verwendet.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
der Schritt des Definierens eines nachfolgenden maskierten Schlüsselwerts
den Schritt beinhaltet, eine Schlüsselverschlüsselungsmaske aus einer Gruppe
von Schlüsselverschlüsselungsmasken
auszuwählen,
indem zufällig
einer der folgenden Modi für
das Durchlaufen der Gruppe von Schlüsselverschlüsselungsmasken gewählt wird:
inkrementeller Modus, dekrementeller Modus, änderungsloser Modus oder zweifach
inkrementeller Modus.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
jeder nachfolgend definierte maskierte Schlüsselwert aus Teilschlüsselwerten
zusammengesetzt ist und die Gruppe von Schlüsselverschlüsselungsmasken so definiert
ist, dass sie das Maskieren jedes einzelnen der Teilschlüsselwerte
zulässt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
die iterativen kryptografischen Operationen Runden sind und die
Teilschlüsselwerte
Teile von Rundenschlüsselwerten
sind.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
die Runden Runden eines Prozesses nach dem Advanced Encryption Standard
oder dem Data Encryption Standard sind.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum nachfolgenden
Maskieren eines Schlüsselwerts
bereitgestellt, wobei die nachfolgend maskierten Werte für aufeinander
folgende Iterationen von kryptografischen Operationen vorgesehen
sind, welche eine Substitutionstabelle verwenden, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst:
Aufteilen eines Schlüsselwerts
in eine Gruppe von Teilschlüsselwerten,
Definieren
einer Gruppe von zufälligen
Maskenwerten,
Kombinieren mehrerer zufälliger Maskenwerte, um nicht
gleichförmige
Schlüsselverschlüsselungsmasken
zu definieren, und Maskieren der Gruppe von Teilschlüsselwerten
mit ausgewählten
Schlüsselverschlüsselungsmasken,
um eine Gruppe von maskierten Schlüsseln zur Verwendung in iterativen
kryptografischen Operationen zu definieren, und Kombinieren mehrerer
zufälliger
Maskenwerte bezogen auf die Schlüsselverschlüsselungsmasken,
um nicht gleichförmige
Tabellenmasken zu definieren, und Erzeugen einer Gruppe von maskierten
Tabellen, die aus der Substitutionstabelle abgeleitet sind und der
Gruppe von Teilschlüsselwerten
entsprechen, zur Verwendung in den iterativen kryptografischen Operationen,
wobei
das Verfahren ferner für
jede Iteration der kryptografischen Operation den Schritt beinhaltet,
ausgewählte
Schlüsselverschlüsselungsmasken
und maskierte Tabellen zu verwenden, wobei die Auswahl mittels Rotation
durch die jeweiligen Gruppen von Schlüsselverschlüsselungsmasken und maskierten
Tabellen erfolgt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
der Schritt des Auswählens
der Elemente in der Gruppe von Schlüsselverschlüsselungsmasken und der Gruppe
von maskierten Tabellen ferner die zufällige Auswahl eines Rotationsmodus
aus einer Gruppe möglicher
Rotationsmodi umfasst.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
die Gruppe möglicher
Rotationsmodi zwei oder mehr der folgenden enthält: inkrementeller Modus, dekrementeller
Modus, änderungsloser
Modus oder zweifach inkrementeller Modus.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
das Maskieren zum Erzeugen der maskierten Tabellen eine Eingabemaskierung
ist und wobei das Verfahren ferner den Schritt enthält, Ausgabemasken
für jede
der maskierten Tabellen zu definieren, wobei die Werte der Ausgabemasken derart
definiert werden, dass die Ausgabemasken aufgehoben werden, sobald
sie in kryptografischen Operationen verwendet wurden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren bereitgestellt, wobei
die Definition der Schlüsselverschlüsselungsmaske
folgende Schritte umfasst:
Definieren einer Gruppe nicht gleichförmiger anfänglicher
Maskenwerte für
die Anwendung auf die Teilmaskenwerte,
Definieren einer Gruppe
von nicht gleichförmigen
rotierenden Maskenwerten, wobei die rotierenden Maskenwerte nach
den anfänglichen
Maskenwerten angewendet werden und die daraus entstehenden maskierten Werte
die Gruppe von maskierten Schlüsselwerten
ersetzen können,
und
Definieren einer Gruppe von Tupeln von Demaskierungswerten,
die derart definiert sind, dass in der Kombination die Tupel der
Demaskierungswerte jeden der anfänglichen
Maskenwerte aufheben.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das obige Verfahren auf eine kryptografische
Operation nach dem AES angewendet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Programmprodukt für ein Datenverarbeitungsgerät bereitgestellt,
um unter Verwendung eines anfänglichen Schlüsselwertes
und einer Substitutionstabelle iterative kryptografische Operationen
auszuführen,
wobei das Programmprodukt für
ein Datenverarbeitungsgerät
einen maschinenlesbaren Datenträger
umfasst, auf dem für
das Datenverarbeitungsgerät
lesbarer Programmproduktcode enthalten ist, und dieser Programmcode
dazu dient, eines oder mehrere der obigen Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Gerät, eine Vorrichtung oder ein
System zur Datenverarbeitung bereitgestellt, das ein Speichermedium
umfasst, um Programmcode zu speichern, der auf dem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt werden
kann, wobei das Speichermedium den auf dem Datenverarbeitungsgerät ausführbaren
Programmcode speichert, um eines oder mehrere der obigen Verfahren
auszuführen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Datenverarbeitungsnetz bereitgestellt,
das mindestens ein Gerät,
eine Vorrichtung oder ein System zur Datenverarbeitung wie oben
umfasst
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Zu
den Vorteilen der bevorzugten Ausführungsform gehört die Verwendung
mehrerer maskierter Gruppen von Substitutionstabellen in jedem Aufruf
eines kryptografischen Prozesses. Die Vorteile umfassen das Bereitstellen
unterschiedlicher Masken für
verschiedene Bytes und/oder Wörter
in einem Schlüssel,
der in einem kryptografischen Prozess verwendet wird. Ferner müssen für kryptografische
Prozesse, in denen Schlüssel
und Rundenschlüssel
benutzt werden, nicht alle maskierten Versionen der Schlüssel und
Rundenschlüssel gespeichert
werden. Vorteilhafterweise kann eine einzige maskierte Version jedes
Rundenschlüssels
gespeichert werden und ändert
sich gemäß einem
Aspekt der Erfindung die Maske für
jeden Rundenschlüssel
zufällig bei
jedem Aufruf des kryptografischen Prozesses, da der neu maskierte
Rundenschlüssel
den zuvor maskierten Rundenschlüssel überschreibt.
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Ein
weiterer Vorteil eines Aspekts der bevorzugten Ausführungsform
ist, dass zustandsabhängige Maskierung
durch den Wert der rotierten Masken unterstützt wird und die maskierten
Tabellen von dem Zustand der Masken vor der Rotation abhängen. Somit
führt,
wenn ein Angreifer Informationen zum Typ der Rotation gewinnt, dies
nicht direkt zu der Information über
die Maskierung. Zu den Vorteilen zählt die Implementierung wechselnder
Masken für
Substitutionstabellen, die einen geringeren Overhead bei Energie,
Leistung und Programmcode erlaubt. Ein derart reduzierter Overhead
ermöglicht
die Verwendung dieses Schutzmaßnahmen-Ansatzes
bei Geräten
wie etwa drahtlosen mobilen Geräten,
bei denen Sicherheit der von den Geräten ausgeführten Operationen gefordert
ist, bei denen aber die Beschränkungen
von Stromversorgung und Prozessorleistung möglicherweise Schwierigkeiten
bereiten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen, die beispielhaft lediglich eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeigen, ist
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1 ein
Blockdiagramm, das Substitutionstabellen und Maskierung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
bei Anwendung auf die AES-Verschlüsselung darstellt;
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2 ein
Blockdiagramm, das eine allgemeine Darstellung der Maskierung enthält, wie
sie in der bevorzugten Ausführungsform
erfolgt.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Bei
verschiedenen in Datenverarbeitungsgeräten implementierten kryptografischen
Operationen werden Substitutionstabellen verwendet. Beispielsweise
werden in AES und Triple DES („3DES") für die Verschlüsselung
von Klartext mehrere S-Boxen verwendet. Um Schutzmaßnahmen
gegen Sicherheitsangriffe auf solche kryptografischen Operationen
bereitzustellen, können
Eingabe und Ausgabe dieser Substitutionstabellen maskiert sein.
Die Sicherheit, die eine solche Maskierung der Tabellenausgabe bietet,
kann jedoch ihrerseits wieder Ziel von Angriffen sein.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
kann als Computer-Programmprodukt realisiert sein, das Programmcode
beinhaltet, welcher zur Ausführung
der beschriebenen Prozessschritte dient. Die bevorzugte Ausführungsform
kann als ein Datenverarbeitungssystem (welches ein Subsystem oder
System enthält,
das bestimmt ist, mit anderen Systemen zusammenzuarbeiten) für die Verschlüsselung
implementiert sein und Elemente enthalten, die die beschriebenen
Funktionen ausführen.
Das Datenverarbeitungssystem der bevorzugten Ausführungsform
kann definiert sein durch und das Computer-Programmprodukt kann
ausgeführt
sein als Signale, die über
Netzwerke, beispielsweise das Internet, übertragen werden, oder kann
als Datenträger
wie etwa magnetische, elektronische oder optische Speichermedien
ausgeführt
sein. Der beschriebene Prozess kann in einem Datenverarbeitungsgerät als ein
Verfahren implementiert sein, das von einer Kombination aus Computercode
und Hardware, die in dem Datenverarbeitungsgerät realisiert ist, ausgeführt wird
(wobei in diesem Fall der Prozess ein von dem Datenverarbeitungsgerät implementiertes
Verfahren ist). Die bevorzugte Ausführungsform kann auf voll ausgestatteten
Computern, mobilen Geräten
wie beispielsweise drahtlosen Mobilgeräten und anderen Geräten mit
Datenverarbeitungstechnologie implementiert werden.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf die Verschlüsselungsschritte des AES-Verschlüsselungsprozesses
beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die bevorzugte Ausführungsform auch
bezogen auf Entschlüsselungsprozesse
und andere iterative kryptografische Prozesse realisierbar ist, welche
Schlüssel
und Substitutionstabellen beinhalten und für die Schutzmaßnahmen
gegen Angriffe wie etwa DPA wünschenswert
sind. Die iterative Gestaltung der beschriebenen kryptografischen
Prozesse kann aus einem einzelnen Verschlüsselungs- oder Entschlüsselungsprozess entstehen (etwa
indem Runden ausgeführt werden
wie in dem beispielhaften AES-Prozess, auf den nachstehend Bezug
genommen wird). Eine andere Möglichkeit,
wie ein kryptografischer Prozess einen iterativen Aspekt haben kann,
besteht dort, wo der kryptografische Prozess nacheinander zum Verschlüsseln oder
Entschlüsseln
eingesetzt wird. In beiden Fällen
existiert eine Gruppe von Schritten, die der Iteration unterliegt
und für
die die hier beschriebenen Maskierungsschritte ausgeführt werden
können.
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Für Fachleute
auf diesem Gebiet ist einzusehen, dass die in der Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform
erwähnte
Maskierung mithilfe einer bitweisen Exklusiv-ODER(XOR)-Operation erfolgt, die sich auf
die verschiedenen in binärer
Form ausgedrückten
Werte bezieht. Es können
jedoch auch andere Maskierungsoperationen verwendet werden. Eine
Alternative ist beispielsweise die arithmetische Maskierung (die
die Verwendung von Addition und/oder Subtraktion anstelle der Exklusiv-ODER-Operation beinhaltet).
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
wird die volle zufällige
Maskierung der Tabellenausgaben unterstützt. 1 ist ein
Blockdiagramm, das ein Beispiel der bevorzugten Ausführungsform
in der Anwendung auf die Schritte der AES-Verschlüsselung zeigt (mit der Tabellenimplementierung
des AES für
hohe Performance wie bei Dr. Brian Gladman, „A Specification for Rijndael,
the AES Algorithm",
unter fp.gladman.plus.com/cryptography_technology/rijndael/aes.spec.311.pdf,
15. April 2003 (Seiten 18–19)
beschrieben). 1 stellt XOR-Operationen auf
drei Arten dar: Kreise stehen für
XOR-Operationen an Eingabewerten, welche in einem Ausgabewert münden; fettgedruckte
horizontale Linien bezeichnen in ähnlicher Weise einen XOR-Prozess; Ziffern,
die in der Abbildung Rundenschlüsseln
zugeordnet sind, bezeichnen die XOR-Maskierung wie nachstehend beschrieben.
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In
dem in 1 gezeigten Beispiel der bevorzugten Ausführungsform
sind vier verschiedene zufällig definierte
Maskierungswerte enthalten. Diese sind mit 0, 1, 2, 3 bezeichnet,
und die Exklusiv-ODER-Verknüpfung
dieser Werte ist durch die Reihenfolge der Ziffern bezeichnet. Beispielsweise
ist in 1 die XOR-Verknüpfung der Maske 1 und der Maske
3 als „13" und die XOR-Verknüpfung der
Maske 0 und der Maske 1 als „01" angegeben. Wie angegeben
werden die vier Maskenwerte mithilfe von in der Technik bekannten
Verfahren zufällig
definiert. Eine weitere Gruppe von Ausgabemaskenwerten ist mit 4,
5, 6, 7 bezeichnet und wird im Folgenden ausführlicher behandelt.
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Die
in 1 dargestellte beispielhafte AES-Verschlüsselung
beinhaltet das Maskieren der AES-Rundenschlüssel und maskierte AES-Substitutionstabellen,
wobei die Masken sowohl an der Eingabe als auch an der Ausgabe der
Substitutionstabellen (S-Boxen)
verwendet werden. Am Ende der AES-Verschlüsselung erfolgt eine abschließende Demaskierung
des Geheimtextes. Gemäß dem beispielhaft
dargestellten AES-Verschlüsselungsprozess
sind für
eine 128-Bit-Verschlüsselung
vier verschiedene Rundenschlüssel
mit je 32 Bit definiert. Diese Implementierung passt beispielsweise
dort, wo der Prozessor, der die AES-Operationen ausführt, ein
32-Bit-Prozessor ist. 1 zeigt diese vier anfänglichen
Rundenschlüssel
als rk0, rk1, rk2, rk3. In dem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform
ist jeder Rundenschlüssel
mit einer anderen Kombination aus drei der Maskenwerte maskiert.
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So
werden die maskierten Rundenschlüssel
in 1 als rk0-023, rk1-013, rk2-012, rk3-123 dargestellt,
wobei die Ziffern nach dem Bindestrich die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der
drei angegebenen Maskenwerte anzeigen. In dem Beispiel ist der Rundenschlüssel rk0
mit der XOR-Verknüpfung
der Masken 0, 2 und 3 maskiert (dargestellt als „rk0-023"). Wie einzusehen ist, kann die Gruppe
maskierter Rundenschlüssel
mit anderen Kombinationen von Maskenwerten definiert werden. Allerdings
werden die Masken, die auf die Rundenschlüssel angewendet werden, so
gewählt,
dass sie die Definition entsprechender Schlüsselverschlüsselungsmasken und maskierter
Tabellen erlauben, wie ausführlicher
für das
Beispiel von 1 beschrieben.
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Bei
der in 1 beispielhaft dargestellten kryptografischen
Operation sind vier Gruppen mit je vier maskierten Tabellen dargestellt.
Jede dieser Tabellen ist mit einem 8-Bit-Eingabewert indiziert und
hat einen 32-Bit-Ausgabewert. Für
Fachleute auf diesem Gebiet ist daher offensichtlich, dass die Eingabemaske
der Gruppe von maskierten Tabellen ein Byte (ein 8-Bit-Wert) ist.
In der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform von 1 hat
jedes der vier Bytes eines einzelnen 32-Bit-Rundenschlüssels dasselbe
Masken-Byte. Dies erlaubt die ordnungsgemäße Maskierung der Substitutionstabellen,
um den Zugriff durch die (maskierten) vier Bytes der 32-Bit-Klartextsegmente,
die in dem Beispiel von 1 mit s0, s1, s2, s3 bezeichnet
sind, zu erlauben.
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Die
Rundenschlüssel
rk0, rk4, rk8 ... rk40 sind nach der obigen Notation durch „rk4i" dargestellt. Für i = 0,
..., 10 beispielsweise existieren 44 Rundenschlüssel (rk0, rk1, ..., rk43),
auf die in 1 verwiesen wird. Die in 1 mit
4i, 4i + 1, 4i + 2, 4i + 3 bezeichneten Rundenschlüssel haben
verschiedene Masken. In der bevorzugten Ausführungsform haben die mit rk4i
bezeichneten Rundenschlüssel
alle dieselbe Maske und gilt ähnliches
für jeden
Rundenschlüssel
in der Gruppe rk4i + 1 (sowie gleichermaßen für die Gruppe rk4i + 2 und die
Gruppe rk4i + 3). Wenn zwei oder mehr maskierte Substitutionstabellen
verwendet werden, haben die ersten vier Rundenschlüssel, rk0,
rk1, rk2, rk3, verschiedene Masken. Entsprechend kann ein Angreifer,
der eine Maske herausfindet und Zugriff auf die maskierten Rundenschlüssel hat,
nicht infolgedessen alle 128 Bits des Master-Schlüssels und
alle Rundenschlüssel
ableiten. Hierin liegt der Unterschied zu Ansätzen, bei denen dieselbe Maske
für alle
Rundenschlüssel
während
eines Aufrufs des kryptografischen Prozesses verwendet wird. Bei
solchen Ansätzen
ist, wenn der Angreifer eine Maske ermittelt, der gesamte Master-Schlüssel gefährdet.
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Bei
dem Ansatz der bevorzugten Ausführungsform
werden Schlüsselverschlüsselungsmasken
verwendet und Masken auf die Substitutionstabellen angewendet, die
als nicht gleichförmig
definiert sind. Wie beschrieben, kann diese Nicht-Gleichförmigkeit
erzielt werden, indem jede der Masken als einzigartig definiert wird,
oder kann alternativ die Nicht-Gleichförmigkeit erzielt werden, indem
Gruppen von Masken definiert werden. Im letzteren Fall kann jede
Maske innerhalb einer definierten Gruppe gleichförmig sein, unterscheiden sich
jedoch die Masken in den verschiedenen definierten Gruppen. Wie
die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform zeigt, sind die
Schlüsselwerte
in dem kryptografischen Prozess aufgeteilt und werden die nicht
gleichförmigen
Schlüsselverschlüsselungsmasken
sowie die nicht gleichförmig
definierten maskierten Tabellen für verschiedene Teile der aufgeteilten
Schlüsselwerte
verwendet.
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Wie
für Fachleute
auf diesem Gebiet einzusehen ist, sind auch andere Maskierungsschemata
möglich. Beispielsweise
könnte
für alle
Rundenschlüssel
dieselbe 32-Bit-Maske verwendet, jedoch jeweils (nicht gleichförmige) Teile
der Maske auf jeden Schlüssel
angewendet werden. In diesem Fall ist jedes Byte der Maske anders
als die übrigen
Bytes definiert, sodass es der Eingabemaske einer Gruppe von maskierten
Substitutionstabellen entspricht.
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Wie
in 1 gezeigt, ist jeder der maskierten Rundenschlüssel mit
einer Schlüsselverschlüsselungsmaske
maskiert. Eine Schlüsselverschlüsselungsmaske
wird auf eine anfängliche
Gruppe von Rundenschlüsseln
angewendet, bevor Klartextwerte mit den Rundenschlüsselwerten
der maskierten Schlüssel
kombiniert werden. In der bevorzugten Ausführungsform gibt es eine Gruppe
von vier Schlüsselverschlüsselungsmasken. 1 zeigt
diese Werte als die Ergebnisse von Exklusiv-ODER-Operationen an
den Maskenwerten 0 und 1, 1 und 2, 2 und 3 sowie 0 und 3 für die vier
maskierten Rundenschlüssel
rk2-023, rk1-013, rk2-012 bzw. rk3-123. 1 stellt
die Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte
als rotierbar dar, angedeutet durch die gestrichelte Linie mit Pfeilen,
die die vier Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte
in der Abbildung verbindet. In welcher Weise diese Werte in der
bevorzugten Ausführungsform
rotiert werden, wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
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Das
in 1 dargestellte Beispiel enthält die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der
Rundenschlüssel
wie maskiert mit einem Klartextwert. In dem AES-Prozess, wie er
in 1 dargestellt ist, wird ein 128-Bit-Klartextwert
in 4 Werte mit je 32 Bit aufgeteilt (pt0, pt1, pt2, pt3 in 1).
Jedes dieser Exklusiv-ODER-Ergebnisse (s0, s1, s2, s3 in 1)
wird dann in einen wiederholten Prozess eingegeben, der schematisch
in dem Kasten 10 von 1 dargestellt
ist. In dem gezeigten Beispiel ist s0 in vier 8-Bit-Teile unterteilt.
Jeder 8-Bit-Teil des 32-Bit-Eingabewerts dient dazu, eine der Gruppe
von vier zugeordneten Lookup-Tabellen zu indizieren. Beispielsweise
wird ein Byte von s0 als Eingabe für eine der in der Abbildung
darunter angezeigten Tabellen benutzt (Te*0 in 1).
In ähnlicher
Weise wird ein Byte von s1 als Eingabe für eine der Tabellen Te*1 verwendet
wie in 1 gezeigt.
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Das
Beispiel der bevorzugten Ausführungsform,
das in 1 veranschaulicht ist, beinhaltet einen Master-Schlüssel mit
128 Bit. Dieser Master-Schlüssel
dient zum Erzeugen von 44 Rundenschlüsseln mit 32 Bit (wobei gemäß der AES
(oder Rijndael)-Spezifikation die ersten vier Rundenschlüssel dem
128-Bit-Master-Schlüssel
entsprechen). In dem Beispiel werden die Rundenschlüssel in
8-Bit-Teile (Bytes) unterteilt, auf die jeweils eine spezifische
Maske angewendet wird. In jeder AES-Runde sind vier Rundenschlüssel vorhanden
und kann das Maskierungsschema innerhalb eines Rundenschlüssels verschiedene
Byte-Masken oder verschiedene Wortmasken jedes Rundenschlüssels verwenden.
Ferner können
in verschiedenen Runden unterschiedliche Maskierungsschemata eingesetzt
werden.
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Wenn
beispielsweise A, B, C, D jeweils eine 8-Bit-Maske (oder Byte-Maske)
repräsentieren
und vier maskierte Gruppen von S-Box-Tabellengruppen vorhanden sind,
hat jede Tabellengruppe eine entsprechende Eingabemaske A, B, C
bzw. D und eine andere 32-Bit-Ausgabemaske. Wenn vier Rundenschlüssel vorhanden sind,
die Eingaben an die vier S-Box-Tabellen erzeugen (wie durch s0,
s1, s2, s3 in 1 dargestellt), kann die Maske
an rk0 definiert werden als DCBA. Ganz ähnlich ist die Maske an rk1
CDAB, die Maske an rk2 BADC und die Maske an rk3 ABCD. Wie zu sehen,
sind alle Byte-Masken innerhalb eines Rundenschlüssels unterschiedlich und sind
auch die Rundenschlüssel-Wortmasken
unterschiedlich. Die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der vier Tabellen gemäß der AES-Spezifikation,
die nachstehend dargestellt ist, s0 = pt0^rk0;
s1 = pt1^rk1; s2 = pt2^rk2; s3 = pt3^rk3 t0
= Te0(s031..24)^Te1(s123..16)^Te2(s215..8)^Te3(s37..0)^rk4 t1 = Te0(s131..24)^Te1(s223..16)^Te2(s315..8)^Te3(s07..0)^rk5 t2 = Te0(s231..24)^Te1(s323..16)^Te2(s015..8)^Te3(s17..0)^rk6 t3 = Te0(s331..24)^Te1(s023..16)^Te2(s115..8)^Te3(s27..0)^rk7erzeugt Masken an Ausgabetabellen,
die sich aufheben. Dies wird ersichtlich anhand des Wertes t0, der
in der obigen Gleichung definiert ist. Der Wert t0 verwendet vier
Tabellen (Te0, Te1, Te2, Te3) mit den Eingabemasken DDDD. Dies wird
ersichtlich, da die Maske an rk0 (und s0) DCBA ist, s031..24 sich
auf das erste Byte in s0 bezieht, welches D ist, woraus folgt, dass
dies das erste D der DDDD-Eingabemaske der Tabellen ist, die sich in
der obigen Gleichung zur Definition von t0 widerspiegeln. Wie zu
sehen ist, verwendet t1 die Eingabetabellenmasken CACA, t2 die Eingabetabellenmasken
BBBB und t3 die Eingabetabellenmasken ACAC.
-
In
dem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform in 1 werden
maskierte Rundenschlüsselwerte ersetzt
durch die Werte, die sich ergeben, nachdem die Schlüsselverschlüsselungsmasken
auf die maskierten Rundenschlüssel
angewendet wurden. Wie weiter unten noch detaillierter erläutert wird,
gibt es gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
verschiedene Möglichkeiten
zum Rotieren der Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte.
Aus dem Beispiel in 1 wird jedoch ersichtlich, dass
das Ersetzen der maskierten Rundenschlüssel in einer effektiven Neumaskierung
der maskierten Rundenschlüssel
mündet.
Die Neumaskierung wird derart ausgeführt, dass sie mit der Rotation
der Schlüsselverschlüsselungsmasken
und maskierten Tabellen synchron ist. Auf diese Weise ist es möglich, für jeden
der Rundenschlüssel,
die in dem kryptografischen Prozess verwendet werden, nur einen
einzigen maskierten Rundenschlüsselwert
beizubehalten. Der Wert wird gemäß dem Prozess
der bevorzugten Ausführungsform
ständig
neu maskiert.
-
1 zeigt
vier Gruppen mit je vier maskierten Tabellen in den wiederholten
Schritten im Kasten 10. Im AES-Prozess wird eine einzige
Gruppe von vier Tabellen bereitgestellt (Te*, wobei * die Gruppe
der vier S-Box-Tabellen Te0, Te1, Te2, Te3, die in allen AES-Runden
außer
der letzten verwendet werden, sowie Te4, die nur in der letzten
Runde verwendet wird, repräsentiert).
In dem in 1 veranschaulichten Prozess
sind vier Tabellengruppen vorhanden – Te*0, Te*1, Te*2, Te*3. Die
Substitutionstabellen (S-Box-Tabellen oder S-Boxen) in 1 werden
auf Basis von Substitutionstabellen definiert, die gemäß dem AES-Prozess
definiert sind. Die Tabellen Te*0, Te*1, Te*2 und Te*3 sind in der
bevorzugten Ausführungsform
sowohl mit einer Eingabemaske als auch mit einer Ausgabemaske maskiert,
wobei jede dieser Eingabemasken eine Kombination aus den vier Masken
0, 1, 2, 3 ist, die in den verschiedenen beschriebenen Maskierungsoperationen
verwendet werden. Die für
die Eingabemasken der S-Boxen benutzten Kombinationen stehen in
Bezug zu den Kombinationen von Masken, die für den anfänglichen maskierten Rundenschlüssel verwendet
wurden, sowie zu den Kombinationen, die für die Schlüsselverschlüsselungsmaske verwendet wurden.
Jede dieser zusammenhängenden
Maskenkombinationen wird ausgewählt,
um zu gewährleisten,
dass der Ausgang der maskierten kryptografischen AES-Operation nicht
durch die Maskierungsoperationen verändert wird, welche an den im
Prozess verwendeten Zwischenwerten erfolgen.
-
Die
Eingabe- und Ausgabemaskierung wird dadurch implementiert, dass
die Werte in den Lookup-Tabellen Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 derart geändert werden,
dass für
eine Tabelle T mit dem Indexwert i (Einträge werden mit T(i) gekennzeichnet),
wobei T(i) = j ist, die Identität
Mt(i^min) = j^mout wahr ist, wobei min der
Eingabemaskenwert, mout der Ausgabemaskenwert
und Mt(i^min) der
maskierte Tabellenwert ist. In der bevorzugten Ausführungsform
werden, wenn ein Gerät
mit begrenzten Prozessor- oder Speicherressourcen kryptografische
Prozesse ausführt,
diese maskierten Gruppen von Tabellen vorausberechnet und auf das
Gerät heruntergeladen,
bevor auf dem Gerät
die kryptografischen Prozesse angestoßen werden.
-
In
dem Beispiel von 1 ist jede der vier als Te*0
bezeichneten Tabellen an ihrer Eingabe mit einer Kombination der
drei Maskierungswerte 0, 2, 3 maskiert. Die Tabellen haben einen
Ausgabemaskierungswert, der sich aus der XOR-Verknüpfung der
beiden Ausgabemaskierungswerte ergibt. Wie dargestellt, sind die Ausgabewerte
der maskierten Tabellen 32 Bit lang. Die Ausgabemasken, die an der
Ausgabe der maskierten Substitutionstabellen verwendet werden (in
dem Beispiel von 1 mit 4, 5, 6, 7 bezeichnet),
stehen nicht in Beziehung zu den Eingabemasken der maskierten Substitutionstabellen
oder den Schlüsselverschlüsselungsmasken
oder den Rundenschlüsselmasken.
Wie anhand des Beispiels von 1 zu sehen
ist, sind in der bevorzugten Ausführungsform die Ausgabemasken
für die
Gruppen von maskierten Tabellen so definiert, dass alle anderen
effektiv ungültig
gemacht werden (wie weiter unten beschrieben sind die Tabellenausgaben XOR-verknüpft und
werden die Ausgabemaskenwerte so ausgewählt, dass die XOR-Verknüpfung der
Maskenwerte den Effekt der Masken aufhebt).
-
Wie
einzusehen ist, ist es nicht erforderlich, dass die Ausgabemasken
für die
maskierten Tabellen definiert sein müssen, um sich gegenseitig aufzuheben.
Wo jedoch sie Masken nicht derart definiert sind, wird die Definition
der Eingabewerte für
die maskierten Tabellen geändert,
um die Werte der Ausgabemasken zu berücksichtigen. Es ist ferner
einzusehen, dass die Maskierung der Schlüsselwerte mit Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerten
keine Maskierung der Ausgabetabelle erfordert. Die bevorzugte Ausführungsform
beinhaltet eine solche Maskierung, da die Widerstandsfähigkeit
gegen DPA-Angriffe erhöht
wird, wenn eine Eingabe- und Ausgabemaskierung der Tabellenwerte
erfolgt.
-
Die
Index- oder Eingabewerte für
die vier Tabellengruppen Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 sind die vier Werte s0,
s1, s2, s3 wie in 1 dargestellt. Die Abbildung
zeigt darüber
hinaus anhand der fettgedruckten horizontalen Linie, die die Ausgaben
der vier Gruppen von Tabellen miteinander verbindet, dass die Ausgabewerte der
Lookup-Tabellen vier XOR-Verknüpfungen
gemäß der AES-Implementierung
bilden, für
die die Tabellen aus (Dr. Brian Gladman, „A Specification for Rijndael,
the AES Algorithm",
unter fp.gladman.plus.com/cryptography_technology/rijndael/aes.spec.311.pdf,
15. April 2003 (siehe besonders Seiten 18–19)) verwendet werden. Die
vier Ergebnisse werden anschließend
Exklusiv-ODER-Operationen mit einer neuen Gruppe von Rundenschlüsseln unterzogen,
die mit entsprechenden Schlüsselverschlüsselungsmasken maskiert
sind.
-
Wie
vorstehend bereits angesprochen, zeigt 1 die Rotation
der Schlüsselverschlüsselungsmasken
durch gestrichelte Linien. Ähnlich
ist in dem Kasten 10 die mögliche Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken
sowie der weiteren Gruppe von Schlüsselverschlüsselungsmasken durch entsprechende
gestrichelte Linien dargestellt.
-
Wie
in 1 angegeben, werden die Schritte des Indizierens
in die maskierten Tabellen und weiter des Maskierens mit maskierten
Rundenschlüsseln
neun Mal ausgeführt
(für i
= 1..9 Runden). Für
Fachleute auf diesem Gebiet versteht es sich, dass die Ausgabe aus
Kasten 10 (dargestellt als t0, t1, t2, t3) bei jeder Wiederholung
der Schritte im Kasten 10 von 1 als Eingabe
für die
maskierten Tabellen (s0, s1, s2, s3) verwendet wird.
-
Am
Ende der Wiederholung der im Kasten 10 gezeigten Schritte
werden die vier Ausgaben in eine letzte Gruppe von maskierten Tabellen
eingegeben: die vierte Tabelle in der Gruppe Te*0, Te*1, Te*2, Te*3
(d. h. bei der der Platzhalter * den Wert 4 hat). Diese vier Tabellen
sind, wie in 1 zu sehen, gemäß dem Ansatz der
bevorzugten Ausführungsform
ebenfalls potenziell rotierbar. Die Ausgaben der Table-Lookups werden dann
XOR-verknüpft
und die resultierenden Werte in der letzten AES-Stufe maskiert.
In dieser Stufe werden die Rundenschlüssel rk40, rk41, rk42, rk43
mit den Schlüsselverschlüsselungsmasken
(welche ebenfalls als rotierbar dargestellt sind) kombiniert.
-
In
einer abschließenden
Gruppe von Schritten wird der Geheimtext demaskiert, indem die anfänglichen
Masken angewendet werden, mit denen die maskierten Rundenschlüssel rk0-023,
rk1-013, rk2-012, rk3-123 definiert waren. Um zusätzlich Schutz
gegen Angriffe zu bieten, werden diese Demaskierungsschritte in
zwei Teilen ausgeführt,
sodass die kombinierten Maskierungswerte (023, 013, 012, 123 in
dem Beispiel von 1) nicht direkt bei Ausführung des
Prozesses der bevorzugten Ausführungsform
berechnet werden. Die Demaskierungswerte werden in 1 als
rotierbar dargestellt, wie dies in der obigen Beschreibung für Schlüsselverschlüsselungsmasken
und maskierte Tabellen der Fall war. Die Rotation der in der Demaskierungsstufe
verwendeten Werte entspricht der effektiven Rotation der anfänglichen
Maskierung der Rundenschlüssel,
die durch Ersetzen der maskierten Rundenschlüssel erfolgt wie vorstehend
beschrieben. Wie einzusehen ist, kann die Anzahl und Reihenfolge
der Demaskierungsschritte unterschiedlich definiert werden. Die Demaskierungswerte
lassen sich als Tupel beschreiben, wobei jedes Tupel einer der angewendeten
anfänglichen
Masken entspricht und wobei Kombinationen der Werte in dem Tupel
in zwei oder mehr Demaskierungsschritten zur Anwendung kommen, um
den anfänglichen
Maskierungsschritt effektiv aufzuheben.
-
Das
Ergebnis ist eine Gruppe aus vier 32-Bit-Geheimtextwerten c0, c1,
c2, c3, die mit dem AES-Verschlüsselungsprozess
verschlüsselt
werden.
-
Wie
in der obigen Beschreibung angegeben und in 1 gezeigt,
beinhaltet der Ansatz der bevorzugten Ausführungsform die Rotation von
Maskierungswerten und Tabellen. Die Rotation solcher Werte und Tabellen
wird in der bevorzugten Ausführungsform
durch einen Kennzeichner oder Zeiger implementiert, der angibt,
welche Tabellen und Maskierungswerte aus der verfügbaren Auswahl
anzuwenden sind. Pro Runde wird ein Zeiger verwendet, der auf die
Adresse der aktuellen Tabellengruppe und die Schlüsselverschlüsselungsmasken
für den
ersten Rundenschlüssel
dieser Runde verweist. Die übrigen
drei Rundenschlüssel
für die Runde
verwenden denselben Zeiger und einen angemessenen Versatz, um die
entsprechenden Tabellen und Maskenwerte zu identifizieren. In der
bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet die Implementierung der Datenstrukturen für die Tabellen
und Maskenwerte die Verwendung doppelt verknüpfter Listen.
-
Eine
effiziente Möglichkeit
zum Verwalten des Versatzes und der Speicherung der Tabellenwerte
und Maskierungswerte ist das Speichern der Schlüsselverschlüsselungsmasken und der Adressen
der Gruppe von maskierten Substitutionstabellen in der jeweiligen
Reihenfolge in einem Speichergerät.
Die Berechnung des Versatzes gegenüber dem ersten Rundenschlüssel ist
daher geradlinig. Ähnlich
werden die Adressen der Tabellengruppe Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 in
der Reihenfolge im Speicher abgelegt.
-
Die
Rotation der Maskierungswerte und Tabellen erfolgt entsprechend
einer randomisierten Auswahl eines von mehreren Betriebsmodi. In
dem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform in 1 gibt
es vier Betriebsmodi:
- a. Inkrementeller Modus:
Für jede
AES-Runde, für
die inkrementell gewählt
wurde, werden die Rundenschlüssel-Verschlüsselungsmasken
und die Gruppe von Tabellen nach links verschoben (wie in 1 dargestellt;
die Schlüsselverschlüsselungsmasken
und Tabellen, die Rundenschlüsseln
n zugeordnet sind, werden durch diejenigen ersetzt, die zuvor den
Rundenschlüsseln
n + 1 zugeordnet waren, in dem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform
modulo 4 genommen, sodass die Werte umgebrochen werden) und danach
wird der Rundenschlüssel
XOR mit der Schlüsselverschlüsselungsmaske
verknüpft
und für
das AES-Lookup auf die Gruppe von maskierten Tabellen zugegriffen;
- b. Dekrementeller Modus: Die Rundenschlüssel werden XOR mit den Schlüsselverschlüsselungsmasken und
Tabellen verknüpft
und die Schlüsselverschlüsselungsmasken
werden nach rechts verschoben (die Schlüsselverschlüsselungsmasken und Tabellen,
die Rundenschlüsseln
n zugeordnet sind, werden durch diejenigen ersetzt, die zuvor den
Rundenschlüsseln
n – 1
zugeordnet waren, in dem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform
modulo 4 genommen, sodass die Werte umgebrochen werden) und es wird
auf die Gruppe der maskierten Tabellen zugegriffen; und
- c. Änderungsloser
Modus: Es erfolgt keine Maskierung mithilfe der Schlüsselverschlüsselungsmasken
und keine Verschiebung der Tabellen oder Schlüsselverschlüsselungsmasken und es wird
auf die Gruppe der maskierten Tabellen zugegriffen.
- d. Zweifach inkrementeller Modus: Für jede AES-Runde, für die zweifach
inkrementell gewählt
wurde, werden die Rundenschlüssel-Verschlüsselungsmasken
und die Gruppe von Tabellen nach links verschoben (wie in 1 dargestellt)
und danach wird der Rundenschlüssel
XOR mit der Schlüsselverschlüsselungsmaske
verknüpft.
Anschließend
werden die Schlüsselverschlüsselungsmasken
und die Tabellengruppe nochmals nach links verschoben und wird der
Rundenschlüssel
XOR mit der Schlüsselverschlüsselungsmaske
verknüpft.
Abschließend
wird für
das AES-Lookup auf die Gruppe von maskierten Tabellen zugegriffen.
-
Wie
einzusehen ist, wird die Sicherheit der kryptografischen Operation
durch die Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken
und der maskierten Tabellen erhöht.
Beispielsweise ist, selbst wenn der Angreifer mittels Strom- oder
elektromagnetischer Analyse feststellen kann, wann eine Rotation
im „zweifach
inkrementellen Modus" ausgeführt wurde,
die daraus resultierende Maske des Rundenschlüssels verschieden von vorhergehenden
Masken desselben Rundenschlüssels,
für den
dieselbe zweifach inkrementelle Rotation verwendet wurde. Somit
führt das
Rotationsschema nicht direkt zu Informationen über die Maskierung, da die
Maskierung zustandsabhängig
ist. Hierin liegt der Unterschied zu früheren Schemata, bei denen auf
neu maskierte Rundenschlüssel
direkt zugegriffen wird als Ergebnis der Ausführung von Anweisungen (Statements)
zur Auswahl zwischen alternativen Rundenschlüsseln (möglicherweise mithilfe von Auswahlanweisungen,
sog. Case-Statements). In derartigen früheren Schemata liefern Power-Analysis-Informationen,
die die ausgeführten Anweisungen
(beispielsweise welcher Case gewählt
wird) identifizieren, unmittelbar Informationen zu Stromverbrauchsprofilen,
die dieselben Rundenschlüsselmasken
verwenden. Diese Schemata wählen
Maskierungen unabhängig
von der vorherigen Maskierung (und sind somit nicht zustandsabhängig, d.h.
abhängig
von dem vorherigen Zustand bzw. der vorherigen Maske des Rundenschlüssels, die
bereits in einem früheren
Aufruf des kryptografischen Prozesses verwendet wurde). Bei diesen
anderen Ansätzen
kann eine DPA erster Ordnung der ausgewählten Stromprofile an der Ausgabe
der S-Boxen verwendet werden, um den Rundenschlüsselwert herauszufinden.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
erzeugt eine Schlüsselverschlüsselungsmaske
eine andere resultierende Maske für den Rundenschlüssel, abhängig von
dem vorherigen Maskenwert des Rundenschlüssels. Ferner wird die Sicherheit
weiter erhöht,
wenn wie oben beschrieben die Rotation nach dem Zufallsprinzip definiert
ist. Die obigen vier beispielhaften Verschiebungsmodi können durch
einen 2-Bit-Wert spezifiziert werden, der für jede Runde des AES-Prozesses
(oder jede Iteration des kryptografischen Prozesses) zufällig erzeugt
wird. Solange die Verschiebung der Schlüsselverschlüsselungsmasken und der maskierten
Tabellen synchron ausgeführt
wird, wirkt sich die Verschiebung nicht auf die Ausgabe des maskierten
kryptografischen Prozesses aus. Diese randomisierte Rotation der
Masken und der maskierten Tabellen dient jedoch dazu, Angriffe auf
den kryptografischen Prozess zu erschweren.
-
Wie
für Fachleute
auf diesem Gebiet einzusehen ist, sind auch andere Rotationsschemata
möglich. Beispielsweise
können
die Rundenschlüssel
in zwei Gruppen zu je zwei geteilt werden und kann eine Rotation der
Masken und Tabellen für
jede der beiden Gruppen definiert werden. Ferner kann ein solcher
Ansatz derart mit dem Verschieben der Masken und Tabellen über die
gesamte Gruppe von vier Rundenschlüsseln kombiniert werden, dass
die Rotation zwischen Rotation durch die gesamte Gruppe und einer
für die
beiden Teilgruppen definierten Rotation wechselt.
-
Die
Kombinationen von Rotationsschemata und Maskendefinitionen können je
nach den Sicherheitsanforderungen und der Verfügbarkeit von Ressourcen des
Systems, in dem die Schutzmaßnahmen
der bevorzugten Ausführungsform
verwendet werden, gewählt
werden. Eine komplexere Masken- und Rotationsschema-Definition erhöht die Sicherheit,
erfordert aber andererseits zusätzlichen
Overhead an Systemressourcen und Zeit.
-
Die
Eingabe- und Ausgabemaskendefinition kann entsprechend den Sicherheits- und Systemanforderungen
gewählt
werden. Die Ausgabemasken der Tabellen, die XOR miteinander verknüpft sind,
können
so definiert sein, dass sie sich aufheben, wie vorstehend beschrieben.
Beispielsweise heben sich in 1 die Maskenausgaben
45, 46, 57, 67 auf, sodass keine Maske übrig bleibt, nachdem die Exklusiv-ODER-Operation ausgeführt worden
ist (wie durch die fettgedruckte horizontale Linie im Kasten 10 der
Abbildung dargestellt). Wie sich für Fachleute auf diesem Gebiet
versteht, können
die Ausgabemasken alternativ so definiert werden, dass sie gemeinsam
in einer festen Maske resultieren, und werden die Definitionen der
Eingabemasken der maskierten Substitutionstabellen und der Rundenschlüsselmaske
entsprechend modifiziert, sodass sie die feste Maske widerspiegeln.
Eine weitere Alternative ist die Unterstützung von zwei oder mehr Gruppen
maskierter Substitutionstabellen, wobei entweder die Masken sich aufheben
oder eine feste Maske schaffen, die in die Rundenschlüsselmaske
und die Eingabemaske der Substitutionstabellen aufgenommen wird.
-
Die
Rotation der Masken und Tabellen, die unter Bezug auf 1 beschrieben
wurde, basiert auf den vier definierten Modi und kann vorteilhafterweise
mit begrenzten Speicher- und Stromversorgungsressourcen realisiert
werde, weshalb sie gut geeignet ist für die Implementierung in einem
mobilen Datenverarbeitungsgerät,
dessen Speicher- und Strombeschränkungen
für kryptografische
Operationen wesentlich sind.
-
Die
obige Beschreibung geht auf das Maskieren von Schlüsseln und
Tabellen ein, die gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
in den AES-Verschlüsselungsprozessen
verwendet werden. 2 ist ein Blockdiagramm, das
in stark abstrahierter Form die Maskierungsschritte darstellt, die
in der bevorzugten Ausführungsform
ausgeführt
werden. In 2 ist der maskierte Schlüssel 102 dargestellt
(anfänglich
maskierter Schlüsselwert
rk), zusammen mit dem Klartext 104 und der Ausgabe 106.
Bei dem in 2 veranschaulichten verallgemeinerten
Verschlüsselungsprozess
ist der maskierte Schlüssel 102 bei
XOR 110 durch eine Schlüsselverschlüsselungsmaske
maskiert, die aus einer Gruppe von Schlüsselverschlüsselungsmasken 0..n (Gruppe 111)
gewählt
wurde. Der Klartext 104 ist bei XOR 112 mit dem
Ergebniswert maskiert. Das Produkt wird anschließend als Eingabe in eine aus
einer Gruppe von maskierten S-Tabellen
0..n (113) ausgewählte S-Tabelle
verwendet, und die Ausgabe wird als Ausgabe 106 dargestellt.
-
Der
in 2 dargestellte vereinfachte Verschlüsselungsprozess
verdeutlicht die Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken. Die Schlüsselverschlüsselungsmasken
0...n (111) werden als mögliche Eingaben für die Exklusiv-ODER-Operation 110 gezeigt. Ähnlich werden
die maskierten S-Tabellen 0...n als potenziell durch die Ausgabe
der Exklusiv-ODER-Operation 112 indiziert dargestellt.
Wie schon oben mit Bezug auf die AES-Implementierung der bevorzugten
Ausführungsform
ausführlich
beschrieben, sind die Gruppe der Schlüsselverschlüsselungsmasken und die Gruppe
der maskierten S-Tabellen so definiert, dass die Mitglieder jeder
Gruppe einander entsprechen, sodass die Ausgabe 106 einen
vorhersagbaren Wert hat. Mit anderen Worten, die Ausgabe 106 kann
in einigen Implementierungen dieselbe sein wie wenn keine Maskierung
des Schlüssels
oder der S-Tabellen
erfolgt wäre.
Bei einer alternativen Implementierung weicht die Ausgabe 106 von
der unmaskierten S-Tabellenverschlüsselung ab, jedoch erfolgt
diese Abweichung in einer bekannten Weise, die in nachfolgend ausgeführten Operationen
an oder mit der Ausgabe 106 korrigiert oder zugelassen
werden kann.
-
2 zeigt,
auf welche Weise der maskierte Schlüssel 102 durch die
Schlüsselverschlüsselungsmasken
maskiert wird. Der Wert des maskierten Schlüssels 102, der andernfalls
in dem Verschlüsselungsprozess
verwendet würde,
wird effektiv ersetzt durch die Ausgabe der Exklusiv-ODER-Operation 110.
So wird der maskierte Schlüssel,
der bei der Verschlüsselung
verwendet wird, in Bezug zu dem vorherigen Wert des maskierten Schlüssels 102 definiert.
Der neue maskierte Schlüsselwert
ist somit zustandsabhängig.
-
2 zeigt
außerdem,
dass die Mitglieder der Gruppe von Schlüsselverschlüsselungsmasken 0...n rotiert
werden können,
wenn sie auf den maskierten Schlüssel 102 angewendet
werden (bei der Exklusiv-ODER-Operation 110). Ähnlich werden
auch die S-Tabellen 0...n in synchronisierter Weise rotiert.
-
Nachdem
nun beispielhaft verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ausführlich beschrieben
wurden, ist es für
Fachlaute auf diesem Gebiet offensichtlich, dass Varianten und Änderungen realisiert
werden können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung
schließt
alle diese Varianten und Änderungen
ein, soweit sie in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
-
Übersetzung der Figuren
-
Fig. 1
| Masked
Round
Key | Maskierter
Rundenschlüssel |
| key
encryption
mask | Schlüsselverschlüsselungsmaske |
| plaintext | Klartext |
| 4
Sets of 4
Masked Tables | 4
Gruppen mit 4
maskierten Tabellen |
| Repeat
For
i = 1..9
rounds | Wiederholen
für i = 1..9
Runden |
| Final
Stage of
AES | Abschlussstufe
AES |
| Masked
Cipher Text | Maskierter
Geheimtext |
| Unmask
Cipher
Text | Geheimtext
demaskieren |
| Unmasked
Cipher
Text | Demaskierter
Geheimtext |
Fig. 2
| 102 | Maskierter
Schlüssel |
| 104 | Klartext |
| 111 | Schlüsselverschlüsselungsmaske
0//Schlüsselverschlüsselungsmaske
n |
| 113 | S-Tabelle
0//S-Tabelle n |
| 106 | Ausgabe |