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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Computersysteme
und im Besonderen auf Computersysteme, die Verschlüsselungsvorgänge und
Gegenmaßen
zur Abwehr von Angriffen durch Stromverbrauchsanalysen umsetzen.
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Computersysteme
erfordern häufig
das Durchführen
von Vorgängen
in sicherer Weise. Bei integrierten Computergeräten und pervasiven Systemen
ist die Betriebssicherheit oft von entscheidender Bedeutung. Um
die Sicherheit des Betriebs und der Kommunikation zu gewährleisten,
setzen solche Systeme kryptografische Verfahren ein.
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Auch
die Umsetzung eines solchen kryptografischen Verfahrens selbst muss
sicher sein. Kryptografische Verfahren sind jedoch Angriffen ausgesetzt.
Zu nicht invasiven Angriffen auf Computergeräte, die kryptografische Verfahren
umsetzen, zählen unter
anderem Angriffe durch sogenannte Stromverbrauchsanalysen. Ein Angriff
durch Stromverbrauchsanalysen beinhaltet das Überwachen des Stromverbrauchs
einer oder mehrerer Komponenten eines Geräts, während das Gerät ein kryptografisches
Verfahren ausführt.
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Die
beim Überwachen
des Stromverbrauchs des Geräts
gewonnenen Daten werden in Verbindung mit Kenntnissen über die
vom Gerät
ausgeführten
Vorgänge
verwendet, um die geheimen Informationen herzuleiten, die Teil des
kryptografischen Verfahrens sind.
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Eine
Art eines Angriffs durch Stromverbrauchsanalysen wird als differenzielle
Stromverbrauchsanalyse (Differential Power Analysis, DPA) bezeichnet
(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
Anzahl von Eingaben erzeugt, indem verschiedene Bits in Werten variiert
werden, die unter Verwendung des in einem Gerät umgesetzten kryptografischen
Verfahrens zu kodieren sind. Beim DPA-Angriff wird für jeden
dieser variierenden Werte der Stromverbrauch an verschiedenen Stellen
in einem Computergerät beobachtet;
durch statistische Auswertung werden die abweichenden Daten zur
Bestimmung eines wahrscheinlichen Schlüsselwerts für das kryptografische Verfahren
(der geheimen Informationen) verwendet.
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DPA-Angriffe
können
auf die Ein- oder Ausgaben der Ersetzungstabellen (die auch als
Ersetzungsboxen (Substitution Boxes) oder „S-Boxen" bezeichnet werden) abzielen, die in
kryptografischen Algorithmen häufig
verwendet werden und oft als Abfragetabellen umgesetzt werden. Eine
S-Box wird typischerweise durch eine Kombination von Schlüsselbits
und Klartext indiziert. Bei der Durchführung eines Angriffs zur Bestimmung
eines Schlüsselwerts,
der in einem kryptografischen System verwendet wird, steuert ein
Angreifer die Klartextwerte und versucht die Schlüsselbits
zur erraten. Aufgrund dieser Rateversuche werden Berechnungen an
den erfassten Stromspuren vorgenommen, um einen Satz von DPA-Daten
zu bilden. Die DPA-Daten mit dem höchsten Spitzenwert werden herangezogen,
um unter den geratenen Schlüsselbits
die wahrscheinlich richtigen zu bestimmen. Wie für Fachleute ersichtlich ist,
basiert eine andere Art von Angriffen auf elektromagnetischen Analysen
des Geräts,
das einen kryptografischen Prozess ausführt. Die nachfolgende Beschreibung
bezieht sich auf Angriffe mittels des Stromverbrauchs; wie jedoch
zu ersehen ist, können
Angriffe durch elektromagnetische Analysen die gleichen Probleme
aufwerfen.
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Für DPA-Angriffe
auf S-Boxen 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) nennt
ein Verfahren, bei dem Tabellen mit einer unterschiedlichen zufälligen Ausgabemaske
innerhalb des kryptografischen Algorithmus häufig neu erstellt werden. Ein
solcher Ansatz bringt jedoch einen potentiell großen Mehraufwand
für jeden
Neuerstellungsschritt mit sich. Zur Verringerung der für die Neuerstellung
der Tabellen erforderlichen zusätzlichen
Latenzzeiten schlägt
Itoh („DPA
countermeasure based an the 'masking
method'", K. Itoh u. a., ICICS
2001, Lecture Notes in Computer Science, 2288, S. 440-456, 2001,
Springer-Verlag) die Verwendung einer festen Anzahl fester Werte
zum Maskieren der Ersetzungstabellen vor. Unterschiedliche Ersetzungstabellen
können
vorab festgelegt und die unterschiedlichen Tabellen zu unterschiedlichen
Zeitpunkten im kryptografischen System verwendet werden. In dem
von Itoh geoffenbarten System wird jedoch bei jedem Aufruf des kryptografischen
Prozesses dieselbe Maske für
alle Rundenschlüssel
verwendet. Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit, dass
ein Angreifer durch einfache Stromverbrauchsanalysen an Informationen
zur Ermittlung kryptografischer Prozesse gelangt, bei denen dieselbe
Maske verwendet wird. Somit kann ein Angreifer, der eine Maske bestimmt
und Zugriff auf maskierte Rundenschlüssel hat (beispielsweise durch
eine differenzielle Stromverbrauchsanalyse erster Ordnung), unter Umständen an
alle Bits des Hauptschlüssels
und alle Rundenschlüssel
gelangen. Bei derartigen Ansätzen ist
der gesamte Hauptschlüssel
gefährdet,
wenn die Maske von einem Angreifer bestimmt wird.
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Ein
weiterer Ansatz beinhaltet das von Patarin (
US-Patent 6.658.569 , Patarin u. a., „Secret
key cryptographic process for protecting a computer system against
attacks by physical analysis")
beschriebene Doppelungsverfahren, das auf Vorgehensweisen für den Geheimnisaustausch
abzielt, bei denen mehrere Eingaben in die S-Box unterstützt werden. Die
mehreren Eingaben in die Tabelle werden zu einer Variablen v umgeformt.
Zusätzlich
werden zwei Tabellenausgaben erzeugt, zum einen eine zufällige Umformung
A(v) der Eingabe und zum anderen das durch Exklusiv-ODER mit S(v)
verknüpfte
A(v). Da sich bei dem Ansatz von Patarin die zufällige Umformung von v nicht ändert, besteht
jedoch die Gefahr, dass im Lauf der Zeit ein Angreifer die verwendete zufällige Umformung
bestimmen kann. Da A(v) von der Tabelle ausgegeben wird, besteht
darüber
hinaus die Möglichkeit,
dass ein Angreifer durch Stromverbrauchsanalysen zweiter Ordnung
(unter Verwendung von Stromverbrauchsmessungen für A(v) und das durch Exklusiv-ODER
mit S(v) verknüpfte
A(v)) an Informationen gelangt, um zu einem richtig geratenen Schlüssel zu
gelangen.
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Die
Ansätze
von Itoh und Patarin lassen sich jeweils auch unter Verwendung unterschiedlicher maskierter
Tabellen oder Umformungen umsetzen. Eine solche Verwendung mehrerer
maskierter Tabellen oder Umformungen erfordert jedoch zusätzliche Ressourcen
im Hinblick auf Speicher, Strom und Prozessorleistung, die nicht
immer verfügbar
sind und deren Zuweisung typischerweise nicht wünschenswert ist.
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Somit
wäre es
von Vorteil, Gegenmaßnahmen
durch Maskierung von Ersetzungstabellen zur Abwehr von DPA-Angriffen
unter Verwendung veränderlicher Maskierungswerte
für Tabelleneingaben und
-ausgaben so umzusetzen, dass diese Gegenmaßnahmen kein wiederholtes Neuerstellen
von Tabellen und kein Neudefinieren von Umformungen erfordern und
unterschiedliche Masken für
unterschiedliche Rundenschlüssel
verwendet werden.
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Allgemeines
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Entsprechend
einem Aspekt der vorteilhaften Ausführung wird eine verbesserte
Gegenmaßnahme
für einen
kryptografischen Prozess oder ein kryptografisches System bereitgestellt.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorteilhaften Ausführung werden ein Verfahren
und ein System bereitgestellt, die die Rotation vom Masken mit festen
Werten und von zugehörigen
maskierten Ersetzungstabellen in einem kryptografischen Prozess
beinhalten. Entsprechend weiteren Aspekten der Erfindung können solche
rotierten Masken für Ersetzungstabellen
bei kryptografischen Vorgängen verwendet
werden, die entsprechend den Fachleuten geläufigen Ansätzen AES (Advanced Encryption Standard)
und DES (Data Encryption Standard) durchgeführt werden.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung wird ein in einem Computergerät umgesetztes
Verfahren zum schrittweisen Maskieren eines Schlüsselwerts bereitgestellt, wobei
die schrittweise maskierten Werte für die Verwendung in aufeinanderfolgenden
Iterationen kryptografischer Vorgänge unter Verwendung einer
Ersetzungstabelle bestimmt sind und das Verfahren zunächst die
folgenden Schritte umfasst:
Teilen des Schlüsselwerts in eine Menge geteilter Schlüsselwerte,
Definieren einer Menge von Zufallsmaskenwerten,
Verbinden mehrerer
Zufallsmaskenwerte zum Definieren uneinheitlicher Schlüsselverschlüsselungsmasken
und Maskieren der Menge geteilter Schlüsselwerte mit ausgewählten Schlüsselverschlüsselungsmasken
zum Definieren einer Menge maskierter Schlüssel zur Verwendung bei den
iterativen kryptografischen Vorgängen,
und
Verbinden mehrerer Zufallsmaskenwerte, die zu den Schlüsselverschlüsselungsmasken
gehören,
zum Definieren uneinheitlicher Tabellenmasken und Erzeugen einer
Menge maskierter Tabellen, die von der Ersetzungstabelle abgeleitet
sind und der Menge geteilter Schlüsselwerte entsprechen, zur
Verwendung bei den iterativen kryptografischen Vorgängen,
wobei
das Verfahren darüber
hinaus für
jede Iteration des kryptografischen Vorgangs den Schritt der Verwendung
ausgewählter
Schlüsselverschlüsselungsmasken
und maskierter Tabellen beinhaltet,
wobei die Auswahl durch
eine Rotation der jeweiligen Mengen von Schlüsselverschlüsselungsmasken und maskierten
Tabellen durchgeführt
wird.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung wird das obige, in einem Computergerät umgesetzte Verfahren
bereitgestellt, bei dem der Schritt des Auswählens der Elemente in der Menge
von Schlüsselverschlüsselungsmasken
und der Menge maskierter Tabellen darüber hinaus die zufällige Auswahl
eines Rotationsmodus aus einer Menge möglicher Rotationsmodi beinhaltet.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung wird das obige, in einem Computergerät umgesetzte Verfahren
bereitgestellt, bei dem die Menge möglicher Rotationsmodi zwei
oder mehr der Modi Inkrementierung, Dekrementierung, kein Wechsel
und doppelte Inkrementierung beinhaltet.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung wird das obige, in einem Computergerät umgesetzte Verfahren
bereitgestellt, bei dem die Maskierung zur Erzeugung der maskierten
Tabellen eine Eingabemaskierung ist, wobei das Verfahren darüber hinaus den
Schritt des Definierens von Ausgabemasken für jede der maskierten Tabellen
beinhaltet, wobei die Werte der Ausgabemasken so definiert werden,
dass sich die Ausgabemasken bei den kryptografischen Vorgängen aufheben.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung wird das obige, in einem Computergerät umgesetzte Verfahren
bereitgestellt, bei dem die Definition der Schlüsselverschlüsselungsmasken die folgenden Schritte
beinhaltet:
Definieren einer Menge uneinheitlicher Ausgangsmaskenwerte
zur Anwendung auf die geteilten Schlüsselwerte,
Definieren
einer Menge uneinheitlicher Rotationsmaskenwerte, wobei die Rotationsmaskenwerte
angewendet werden, nachdem die Ausgangsmaskenwerte und die resultierenden
maskierten Werte verfügbar
sind, um die Menge maskierter Schlüsselwerte zu ersetzen, und
Definieren
einer Menge von Tupeln von Entmaskierungswerten, die so definiert
sind, dass die Tupel von Entmaskierungswerten bei der Verbindung
die Ausgangsmaskenwerte jeweils aufheben.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung wird das obige, in einem Computergerät umgesetzte Verfahren
zur Anwendung bei einem AES-Verschlüsselungsvorgang bereitgestellt.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computergeräteprogrammprodukt zum
Durchführen
iterativer kryptografischer Vorgänge
unter Verwendung eines Ausgangsschlüsselwerts und einer Ersetzungstabelle
bereitgestellt, wobei das Computergeräteprogrammprodukt ein durch
Computergeräte
lesbares Medium mit auf dem Medium enthaltenem, durch Computergeräte lesbarem
Programmproduktcode beinhaltet und zur Durchführung eines oder mehrerer der
obigen Verfahren geeigneten Programmcode beinhaltet.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computergerät bereitgestellt,
das ein Speichermedium zum Speichern von Programmcode beinhaltet,
der auf dem Computergerät
ausgeführt
werden kann, wobei auf dem Speichermedium des Computergeräts Programmcode
gespeichert ist, der auf dem Computergerät zur Durchführung eines oder
mehrerer der obigen Verfahren ausgeführt werden kann.
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Zu
den Vorteilen der vorteilhaften Ausführung gehört unter anderem die Verwendung
mehrerer maskierter Mengen von Ersetzungstabellen bei jedem Aufruf
eines kryptografischen Prozesses. Zu den Vorteilen gehört die Bereitstellung
unterschiedlicher Masken für
unterschiedliche Bytes und/oder Wörter in einem Schlüssel, der
bei einem kryptografischen Prozess verwendet wird. Darüber hinaus ist bei
kryptografischen Prozessen, bei denen Schlüssel und Rundenschlüssel verwendet
werden, kein Speichern aller maskierten Versionen der Schlüssel und Rundenschlüssel erforderlich.
In vorteilhafter Weise kann eine einzelne maskierte Version jedes
Rundenschlüssels
gespeichert werden; entsprechend einem Aspekt der Erfindung variiert
die Maske für
jeden Rundenschlüssel
zufällig
bei jedem Aufruf des kryptografischen Prozesses, indem der neu maskierte Rundenschlüssel den
vorherigen maskierten Rundenschlüssel überschreibt.
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Ein
weiterer Vorteil eines Aspekts der vorteilhaften Ausführung besteht
darin, das die zustandsabhängige
Maskierung durch den Wert der rotierten Masken und die Abhängigkeit
der maskierten Tabellen vom Zustand der Masken vor der Rotation
unterstützt
wird. Somit führen
von einem Angreifer gewonnene Informationen bezüglich der Art der durchgeführten Rotation
nicht direkt zu Informationen zur Maskierung. Zu den Vorteilen gehört die Umsetzung variierender
Masken für
Ersetzungstabellen, die eine Verringerung des Mehraufwands an Energie,
Leistung und Programmcode ermöglicht.
Ein solcher verringerter Mehraufwand ermöglicht den Einsatz dieses Ansatzes
für Gegenmaßnahmen
auf Geräten
wie beispielsweise drahtlosen mobilen Geräten, wenn für von den Geräten durchgeführte Vorgänge Sicherheitsanforderungen
bestehen, zugleich jedoch auf Einschränkungen bezüglich des Stromverbrauchs und
der Prozessorleistung Rücksicht
genommen werden muss.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
folgenden Zeichnungen veranschaulichen eine vorteilhafte Ausführung der
Erfindung und sollen hierbei lediglich als Beispiele dienen:
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1 ist
ein Blockdiagramm, das Ersetzungstabellen und eine Maskierung entsprechend der
vorteilhaften Ausführung
bei der Anwendung auf die AES-Verschlüsselung
zeigt;
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2 ist
ein Blockdiagramm, dass eine Übersichtsdarstellung
der in der vorteilhaften Ausführung
durchgeführten
Maskierung zeigt.
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Beschreibung vorteilhafter Ausführungen
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Bei
verschiedenen kryptografischen Vorgängen, die in Computergeräten umgesetzt
sind, werden Ersetzungstabellen verwendet. Beispielsweise werden
in AES und in Triple DES (3DES) mehrere S-Boxen bei der Verschlüsselung
von Klartext eingesetzt. Als Gegenmaßnahme gegen Angriffe auf die
Sicherheit der kryptografischen Vorgänge können die Eingabe und die Ausgabe
der Ersetzungstabellen maskiert werden. Die durch Maskierung der
Tabellenausgabe erreichte Sicherheit kann jedoch selbst Angriffen
ausgesetzt sein.
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Die
vorteilhafte Ausführung
kann als Computerprogrammprodukt umgesetzt werden, das Programmcode
beinhaltet, der zur Durchführung
der Schritte im beschriebenen Prozess dient. Die vorteilhafte Ausführung kann
als Computersystem (das ein Subsystem oder ein System beinhaltet,
das als mit anderen Systemen zusammenarbeitend definiert ist) für die Verschlüsselung
umgesetzt werden, das Elemente beinhaltet, die die Funktionen entsprechend der
Beschreibung ausführen.
Das Computersystem der vorteilhaften Ausführung kann definiert werden durch
und das Computerprogrammprodukt kann enthalten sein in Signale(n),
die von Netzen wie beispielsweise dem Internet übertragen werden, oder kann
in Medien, wie etwa magnetischen, elektronischen oder optischen
Speichermedien, enthalten sein. Der beschriebene Prozess kann in
einem Computergerät
als Verfahren umgesetzt werden, das durch eine Kombination aus Computercode
und im Computergerät
enthaltener Hardware durchzuführen ist
(in diesem Fall ist der Prozess ein durch Computergeräte umgesetztes
Verfahren). Computergeräte, auf
denen die vorteilhafte Ausführung
umgesetzt werden kann, sind unter anderem voll ausgestattete Computer,
mobile Geräte
wie drahtlose mobile Geräte
und sonstige Geräte,
die Computersystemtechnik enthalten.
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Die
vorteilhafte Ausführung
wird in Bezug auf Verschlüsselungsschritte
für den
Prozess der AES-Verschlüsselung
beschrieben. Wie jedoch zu ersehen ist, kann die vorteilhafte Ausführung auch
in Bezug auf Entschlüsselungsprozesse
sowie auf andere iterative kryptografische Vorgänge umgesetzt werden, die Schlüssel und
Ersetzungstabellen beinhalten und für die Gegenmaßnahmen
gegen Angriffe wie etwa DPA wünschenswert
sind. Die iterative Beschaffenheit der beschriebenen kryptografischen Prozesse
kann sich aus einem einzelnen Verschlüsselungs- oder Entschlüsselungsprozess
ergeben (bei dem etwa Runden, wie nachfolgend anhand des AES-Prozesses
beschrieben, durchgeführt
werden). Ein kryptografischer Prozess kann aber auch dadurch einen
iterativen Aspekt aufweisen, dass der kryptografische Prozess schrittweise
zum Verschlüsseln
oder Entschlüsseln
verwendet wird. In beiden Fällen
liegt eine Menge von Schritten vor, die der Iteration unterliegen,
und kann für
diese Menge von Schritten die in der vorliegenden Erfindung beschriebene
Maskierung durchgeführt
werden.
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Wie
für Fachleute
ersichtlich ist, kann die in der Beschreibung der vorteilhaften
Ausführung
erwähnte
Maskierung mittels einer bitweisen Exklusiv-ODER-Verknüpfung (XOR) in Bezug auf verschiedene,
in einem Binärformat
dargestellte Werte durchgeführt
werden. Es können
jedoch auch andere Maskierungsvorgänge verwendet werden. Beispielsweise
kann ersatzweise eine arithmetische Maskierung (mit einer Addition
und/oder Subtraktion anstelle der Exklusiv-ODER-Verknüpfung) verwendet
werden.
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Entsprechend
der vorteilhaften Ausführung wird
eine vollständig
zufällige
Maskierung der Tabellenausgaben unterstützt. 1 ist ein
Blockdiagramm, das ein Beispiel der vorteilhaften Ausführung bei
der Anwendung auf Schritte der AES-Verschlüsselung zeigt (unter Verwendung
einer Tabellenumsetzung von AES für hohe Leistung wie beschrieben in
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 (Seite 18-19)). In 1 sind XOR-Vorgänge wie
folgt dargestellt: Kreise stehen für XOR-Verknüpfungen von Eingabewerten,
die einen Ausgabewert zum Ergebnis haben; fettgedruckte horizontale
Linien kennzeichnen in ähnlicher
Weise einen XOR-Prozess; Rundenschlüsseln zugeordnete Nummern in
der Abbildung kennzeichnen XOR-Maskierungen, wie nachfolgend beschrieben.
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In
dem Beispiel der vorteilhaften Ausführung in 1 liegen
vier verschiedene, zufällig
definierte Maskierungswerte vor. Diese sind mit 0, 1, 2, 3 bezeichnet;
die Exklusiv-ODER-Verknüpfungen
dieser Werte sind mit den in Folge aufgeführten Nummern bezeichnet. Beispielsweise
ist in 1 die XOR-Verknüpfung von Maske 1 und Maske
3 mit „13" bezeichnet, und
die XOR-Verknüpfung
von Maske 0 und Maske 1 ist mit „01" bezeichnet. Wie erwähnt, werden die vier Maskenwerte
zufällig
unter Verwendung gängiger
Techniken definiert. Eine weitere Menge von Ausgabemaskenwerten
sind mit 4, 5, 6, 7 bezeichnet; diese werden nachfolgend ausführlicher
erläutert.
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Das
in 1 dargestellte Beispiel einer AES-Verschlüsselung
beinhaltet die Maskierung von AES-Rundenschlüsseln und maskierte AES-Ersetzungstabellen,
wobei Masken für
die Eingaben wie auch für
die Ausgaben der Ersetzungstabellen (S-Boxen) verwendet werden.
Beim Abschluss der AES-Verschlüsselung
erfolgt eine abschließende Entmaskierung
des Geheimtexts. Entsprechend dem im Beispiel dargestellten AES-Verschlüsselungsprozess
werden für
einen 128-Bit-Schlüssel
vier verschiedene 32-Bit-Rundenschlüssel definiert. Diese Umsetzung
ist beispielsweise dann geeignet, wenn der Prozessor, der die AES-Vorgänge ausführt, ein 32-Bit-Prozessor ist. In 1 sind
diese vier Ausgangsrundenschlüssel
als rk0, rk1, rk2, rk3 dargestellt. Im Beispiel der vorteilhaften
Ausführung
wird jeder Rundenschlüssel
durch eine unterschiedliche Kombination von drei der Maskenwerte
maskiert.
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Folglich
sind die maskierten Rundenschlüssel
in 1 als rk0-023, rk1-013, rk2-012, rk3-123 dargestellt,
wobei die Nummern hinter den Bindestrichen die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der
jeweiligen drei Maskenwerte bezeichnen. Im Beispiel wird der Rundenschlüssel rk0
durch Exklusiv-ODER-Verknüpfung
der Masken 0, 2 und 3 maskiert (dargestellt als „rk0-023"). Wie zu ersehen ist, kann die Menge maskierter
Rundenschlüssel
mit anderen Kombinationen von Maskenwerten definiert werden. Die
auf die Rundenschlüssel
angewendeten Masken werden jedoch so ausgewählt, dass sie die Definition
geeigneter Schlüsselverschlüsselungsmasken
und maskierter Tabellen ermöglichen,
wie dies im Einzelnen für das
Beispiel in 1 beschrieben wird.
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In
dem Beispiel eines kryptografischen Vorgangs in 1 sind
vier Mengen von vier maskierten Tabellen dargestellt. Jede dieser
Tabellen wird durch einen 8-Bit-Eingabewert
indiziert und hat einen 32-Bit-Ausgabewert. Für Fachleute ist somit ersichtlich,
dass die Eingabemaske der Menge maskierter Tabellen ein Byte (8-Bit-Wert) ist. In dem
Beispiel der vorteilhaften Ausführung
in 1 hat jedes der vier Bytes eines einzelnen 32-Bit-Rundenschlüsel dasselbe
Maskenbyte. Dies ermöglicht
die Durchführung der
ordnungsgemäßen Maskierung
der Ersetzungstabellen, sodass ein Zugriff mittels der (maskierten) vier
Bytes der 32-Bit-Klartextsegmente
ermöglicht wird,
die im Beispiel in 1 als s0, s1, s2, s3 dargestellt
sind.
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Die
Rundenschlüssel
rk0, rk4, rk8...rk40 sind in der obigen Notation mit „rk4i" dargestellt. Für id = 0,
..., 10 werden beispielsweise 44 Rundenschlüssel (rk0, rk1, ..., rk43)
in 1 aufgezeigt. In 1 mit 4i,
4i + 1, 4i + 2, 4i + 3 bezeichnete Rundenschlüssel haben unterschiedliche
Masken. In der vorteilhaften Ausführung haben mit rk4i bezeichnete
Rundenschlüssel
alle dieselben Maske; ähnliches
gilt für
jeden Rundenschlüssel
aus der Menge rk4i+1 (sowie analog dazu auch für die Menge rk4i+2 und für die Menge
rk4i+3). Indem zwei oder mehr maskierte Ersetzungstabellen verwendet
werden, erhalten die ersten vier Rundenschlüssel rk0, rk1, rk2, rk3 unterschiedliche
Masken. Somit ist ein Angreifer, der eine Maske bestimmt und Zugriff
auf die maskieren Rundenschlüssel
hat, nicht in der Lage, daraufhin an alle 128 Bit des Hauptschlüssels und
alle Rundenschlüssel
zu gelangen. Dies steht im Gegensatz zu Ansätzen, bei denen während des
Aufrufs des kryptografischen Prozesses für alle Rundenschlüssel dieselbe
Maske verwendet wird. Bei solchen Ansätzen ist der gesamte Hauptschlüssel gefährdet, wenn
die Maske von einem Angreifer bestimmt wird.
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Beim
Ansatz der vorteilhaften Ausführung werden
Schlüsselverschlüsselungsmasken
eingesetzt und Masken auf die Ersetzungstabellen angewendet, die
als uneinheitlich definiert sind. Wie beschrieben, kann die Uneinheitlichkeit
erreicht werden, indem jede der Masken als eindeutig verschieden
definiert wird; ersatzweise kann die Uneinheitlichkeit durch Definieren
von Mengen von Masken erreicht werden. Im letzteren Fall kann jede
einzelne Maske innerhalb einer Menge einheitlich sein, doch die
Masken in unterschiedlichen Mengen unterscheiden sich. Wie in der
Beschreibung der vorteilhaften Ausführung dargelegt, werden die
Schlüsselwerte beim
kryptografischen Prozess geteilt und die uneinheitlichen Schlüsselverschlüsselungsmasken
und uneinheitlich definierten maskierten Tabellen für unterschiedliche
Abschnitte der geteilten Schlüsselwerte
verwendet.
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Wie
für Fachleute
ersichtlich ist, sind bei der Maskierung auch andere Vorgehensweisen
möglich. Beispielsweise
kann man für
alle Rundenschlüssel dieselbe
32-Bit-Maske verwenden, dabei aber auf jeden Schlüssel (uneinheitliche)
Abschnitte der Maske anwenden. In diesem Fal ist jedes Byte der
Maske als verschieden von den nullten Bytes definiert und als der
Eingabemaske einer Menge maskierter Ersetzungstabellen entsprechend
definiert.
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Wie
in 1 dargestellt, werden die maskierten Rundenschlüssel jeweils
mit einer Schlüsselverschlüsselungsmaske
maskiert. Eine Schlüsselverschlüsselungsmaske
wird auf eine Ausgangsmenge von Rundenschlüsseln angewendet, bevor Klartextwerte
mit den maskierten Rundenschlüsselwerten
verbunden werden. In der vorteilhaften Ausführung liegt eine Menge von
vier Schlüsselverschlüsselungsmasken
vor. 1 zeigt diese Werte als Ergebnisse von Exklusiv-ODER-Verknüpfungen der
Maskenwerte 0 und 1, 1 und 2, 2 und 3 sowie 0 und 3 für die vier
maskierten Rundenschlüssel rk0-023,
rk1-013, rk2-012
bzw. rk3-123. In 1 sind die Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte
als rotierbar dargestellt; dies wird durch die gestrichelte Linie
mit Pfeilen bezeichnet, die in der Abbildung die vier Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte
verbindet. Auf welche Weise diese Werte in der vorteilhaften Ausführung rotiert
werden, wird nachfolgend im Einzelnen erläutert.
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Das
Beispiel in 1 beinhalt die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der
Rundenschlüssel,
nachdem diese maskiert wurden, mit einem Klartextwert. Beim AES-Prozess
wird, wie in 1 dargestellt, ein 128-Bit-Klartextwert
in vier 32-Bit-Werte
(pt0, pt1, pt2, pt3 in 1) geteilt. Jedes dieser Exklusiv-ODER-Ergebnisse (s0, s1,
s2, s3 in 1) wird anschließend als
Eingabewert an einen sich wiederholenden Prozess übergeben,
der in 1 schematisch in Kasten 10 dargestellt ist. Im
dargestellten Beispiel wird s0 in vier 8-Bit-Teile geteilt. Jeder
8-Bit-Abschnitt des 32-Bit-Eingabewerts dient als Index für eine Tabelle
aus der Menge von vier zugehörigen
Abfragetabellen. Beispielsweise dient ein Byte von s0 als Eingabe
für eine
der Tabellen, die in der Abbildung darunter dargestellt sind (Te*0
in 1). In ähnlicher
Weise dient ein Byte von s1 als Eingabe für eine der Tabellen Te*1, wie
in 1 dargestellt.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel der vorteilhaften Anwendung
wird ein Hauptschlüssel
mit 128 Bit verwendet. Dieser Hauptschlüssel wird zur Erstellung von
44 32-Bit-Rundenschlüsseln
verwendet (wobei die ersten vier Rundenschlüssel entsprechend der AES-
bzw. Rijndael-Spezifikation dem 128-Bit-Hauptschlüssel entsprechen).
Im Beispiel werden die Rundenschlüssel in 8-Bit-Teile (Bytes) geteilt,
wobei sie jeweils mit einer bestimmten Maske versehen werden. Innerhalb
einer AES-Runde liegen jeweils vier Rundenschlüssel vor; je nach Vorgehensweise
bei der Maskierung können
innerhalb eines Rundenschlüssels
unterschiedliche Bytemasken oder unterschiedliche Wortmasken jedes
Rundenschlüssels
verwendet werden. Darüber
hinaus können
in unterschiedlichen Runden unterschiedliche Vorgehensweisen bei
der Maskierung verwendet werden.
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Wenn
beispielsweise A, B, C, D jeweils für eine 8-Bit-Maske (oder Bytemasken)
stehen und vier maskierte Mengen von S-Box-Tabellenmengen vorliegen,
hat jede Menge von Tabellen eine entsprechende Eingabemaske A, B,
C oder D und eine unterschiedliche 32-Bit-Ausgabemaske. Wenn vier Rundenschlüssel vorliegen,
die Eingaben für
die vier S-Box-Tabellen erzeugen (wie in 1 durch
s0, s1, s2, s3 dargestellt), kann die Maske für rk0 als DCBA definiert werden.
Analog dazu ist die Maske für
rk1 CDAB, die Maske für
rk2 BADC und die Maske für rk3
ABCD. Wie zu ersehen ist, sind alle Bytemasken innerhalb eines Rundenschlüssels verschieden
und sind auch die Wortmasken der Rundenschlüssel verschieden. Entsprechend
der AES-Spezifikation werden die vier Tabellen wie folgt mit Exklusiv-ODER verknüpft: 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)^rk7
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Daraus
ergeben sich Masken für
die Ausgabetabellen, die sich aufheben. Dies lässt sich anhand des in der
obigen Gleichung definierten Werts t0 nachvollziehen. Für den Wert
t0 werden vier Tabellen (Te0, Te1, Te2, Te3) mit den Eingabemasken
DDDD verwendet. Dies ist daraus zu ersehen, dass die Maske für rk0 (und
s0) DCBA lautet, s031..24 sich auf das erste
Byte in s0 bezieht, das D lautet, das folglich das erste D von DDDD
als Eingabemaske der Tabellen entsprechend der obigen Gleichung
mit der Definition von t0 ist. Wie zu ersehen ist, werden für t1 die
Tabelleneingabemasken CACA, für
t2 die Tabelleneingabemasken BBBB und für t3 die Tabelleneingabemasken
ACAC verwendet.
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In
dem Beispiel der vorteilhaften Ausführung in 1 werden
die maskierten Rundenschlüsselwerte
durch die resultierenden Werte ersetzt, nachdem die Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte
auf die maskierten Rundenschlüssel
angewendet wurden. Wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben, kann entsprechend
der vorteilhaften Ausführung
die Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmaskenwerte
auf verschiedene Weise durchgeführt
werden. Wie jedoch aus dem Beispiel in 1 zu ersehen
ist, bewirkt die Ersetzung der maskierten Rundenschlüssel effektiv
eine Neumaskierung der maskierten Rundenschlüssel. Die Neumaskierung wird
so durchgeführt, dass
sie synchron mit der Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken und maskierten
Tabellen erfolgt. Auf diese Weise braucht für die beim kryptografischen
Prozess verwendeten Rundenschlüssel
jeweils nur ein maskierter Rundenschlüsselwert beibehalten zu werden.
Der Wert wird entsprechend dem Prozess der vorteilhaften Ausführung fortlaufend
neu maskiert.
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1 zeigt
in den wiederholt ausgeführten Schritten
von Kasten 10 vier Mengen von vier maskierten Tabellen. Der AES-Prozess
sieht eine einzelne Menge von vier Tabellen vor (Te*, wobei * für die Menge
der vier S-Box-Tabellen Te0, Te1, Te2, Te3 steht, die in allen AES-Runden
mit Ausnahme der letzten verwendet werden, sowie für Te4, die
nur in der letzten Runde verwendet wird). In dem in 1 dargestellten
Prozess liegen vier Mengen von Tabellen vor, die mit Te*0, Te*1,
Te*2, Te*3 bezeichnet sind. Die in 1 dargestellten
Ersetzungstabellen (S-Box-Tabellen oder S-Boxen) werden aufgrund
von Ersetzungstabellen definiert, die entsprechend dem AES-Prozess
definiert werden. Die Tabellen Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 werden in
der vorteilhaften Ausführung
sowohl mit einer Eingabemaske als auch mit einer Ausgabemaske maskiert,
wobei jede dieser Eingabemasken eine Kombination der vier Masken
0, 1, 2, 3 ist, die bei den verschiedenen beschriebenen Maskierungsvorgängen verwendet
werden. Die für die
Eingabemasken für
die S-Boxen verwendeten Kombinationen stehen im Zusammenhang mit
den Kombinationen der für
den maskierten Ausgangsrundenschlüssel verwendeten Masken und
mit den für die
Schlüsselverschlüsselungsmaske
verwendeten Kombinationen. Bei der Auswahl dieser zusammenhängenden
Maskierungskombinationen wird jeweils sichergestellt, dass die Ausgabe
des maskierten AES-Kryptografievorgangs durch die an den beim Prozess
verwendeten Zwischenwerten durchgeführten Maskierungsvorgänge nicht
verändert
wird.
-
Die
Eingabe- und Ausgabemaskierung wird umgesetzt, indem die Werte in
den Abfragetabellen Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 so geändert werden, dass für eine Tabelle
T, die durch den Wert i indiziert wird (wobei Einträge durch
T(i) bezeichnet werden), wobei T(i) = j ist, die Identitätsbeziehung
Mt(i^min) = j^mout wahr ist, wobei min der
Eingabemaskenwert, mout der Ausgabemaskenwert
und Mt(i^min) der
maskierte Tabellenwert ist. In der vorteilhaften Ausführung werden,
wenn kryptografische Prozess auf einem Gerät mit beschränkten Prozessor-
oder Speicherressourcen auszuführen
sind, diese maskierten Mengen von Tabellen vorab berechnet und auf
das Gerät
heruntergeladen, bevor die kryptografischen Prozesse auf dem Gerät aufgerufen
werden.
-
Im
Beispiel in 1 wird jede der vier mit Te*0
bezeichneten Tabellen bei der Eingabe durch Kombination der drei
Maskierungswerte 0, 2, 3 maskiert. Die Tabellen haben einen Ausgabemaskierungswert,
der sich aus der Exklusiv-ODER-Verknüpfung der
beiden Ausgabemaskierungswerte ergibt. Wie erwähnt, sind die Ausgabewerte
der maskierten Tabellen 32-Bit-Werte. Die Ausgabemasken, die für die Ausgabe
der maskierten Ersetzungstabellen verwendet werden (im Beispiel
in 1 mit 4, 5, 6, 7 bezeichnet), stehen nicht im
Zusammenhang mit den Eingabemasken der maskierten Ersetzungstabellen oder
den Schlüsselverschlüsselungsmasken
oder Masken der Rundenschlüssel.
Wie aus dem Beispiel in 1 zu ersehen ist, werden die
Ausgabemasken für
die Mengen von maskierten Tabellen in der vorteilhaften Ausführung so
definiert, dass sie sich effektiv gegenseitig aufheben (wie nachfolgend
beschrieben, werden die Ausgaben der Tabellen durch Exklusiv-ODER
miteinander verknüpft
und die Werte der Ausgabemasken so gewählt, dass die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der
Maskenwerte die Masken aufhebt).
-
Wie
zu ersehen ist, müssen
die Ausgabemasken für
die maskierten Tabellen nicht unbedingt so definiert werden, dass
sie sich gegenseitig aufheben. Wenn jedoch die Masken nicht in dieser
Weise definiert werden, ändert
sich die Definition der Eingabewerte für die maskierten Tabellen dahingehend, dass
die Werte der Ausgabemasken berücksichtigt werden.
Darüber
hinaus ist zu ersehen, dass die Maskierung der Schlüsselwerte
mit den Schlüsselverschlüsselungsmasken
keine Ausgabetabellenmaskierung erfordert. Die vorteilhafte Ausführung beinhaltet
eine solche Maskierung, da sich die Beständigkeit gegen DPA-Angriffe
erhöht,
wenn eine Eingabe- und Ausgabemaskierung der Tabellenwerte erfolgt.
-
Die
Index- oder Eingabewerte für
die vier Mengen von Tabellen Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 sind die vier
Werte s0, s1, s2, s3, wie in 1 dargestellt.
In der Abbildung zeigt darüber
hinaus die fettgedruckte horizontale Linie, die die Ausgaben der
vier Mengen von Tabellen verbindet, dass die Ausgabewerte der Abfragetabellen
vier Exklusiv-ODER-Verknüpfungen entsprechend
der AES-Umsetzung unter Verwendung von 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 insbesondere S. 18-19)) bilden. Die vier Ergebnisse
werden anschließend
vier Exklusiv-ODER-Verknüpfungen mit
einer neuen Menge von Rundenschlüsseln
unterzogen, die mit entsprechenden Schlüsselverschlüsselungsmasken maskiert wurden.
-
Wie
oben ausgeführt,
ist in 1 die Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken durch eine Menge
gestrichelter Linien dargestellt. In ähnlicher Weise ist in Kasten
10 die mögliche
Rotation der maskierten Tabellen und der weiteren Menge von Schlüsselverschlüsselungsmasken
jeweils durch Mengen gestrichelter Linien dargestellt.
-
Wie
in 1 aufgezeigt, werden die Schritte der Indizierung
der maskierten Tabellen und der weiteren Maskierung mit maskierten
Rundenschlüsseln
neunmal durchgeführt
(für i
= 1...9 Runden). Wie für
Fachleute ersichtlich ist, wird die Ausgabe von Kasten 10 (dargestellt
als t0, t1, t2, t3) für
jede neue Iteration der Schritte in Kasten 10 in 1 als
Eingabe für
die maskierten Tabellen (s0, s1, s2, s3) verwendet.
-
Am
Ende der Iterationen der in Kasten 10 dargestellten Schritte werden
die vier Ausgaben als Eingaben an eine abschließende Menge maskierter Tabellen übergeben:
die vierte Tabelle in der Menge Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 (d. h. die
Tabelle, bei der der Platzhalter * den Wert 4 hat). Entsprechend
dem Ansatz der vorteilhaften Ausführung können diese vier Tabellen auch
rotiert werden, wie in 1 dargestellt. Die Ausgaben
dieser Tabellenabfragen werden dann durch Exklusiv-ODER miteinander
verknüpft; die
resultierenden Werte werden in der abschließenden AES-Phase maskiert.
In dieser Phase werden die Rundenschlüssel rk40, rk41, rk42, rk43
mit den Schlüsselverschlüsselungsmasken
verbunden (die ebenfalls als rotierbar dargestellt sind).
-
In
einer abschließenden
Menge von Schritten wird der Geheimtext entmaskiert, indem die Ausgangsmasken
zur Definition der maskierten Rundenschlüssel rk0-023, rk1-013, rk2-012,
rk3-123 angewendet werden. Als zusätzlicher Schutz vor Angriffen werden
diese Entmaskierungsschritte in zwei Teilen durchgeführt, sodass
die verbundenen Maskierungswerte (023, 013, 012, 123 im Beispiel
von 1) bei der Durchführung des Prozesses der vorteilhaften Ausführung nicht
direkt berechnet werden. Die Entmaskierungswerte sind in 1 als
rotierbar dargestellt, wie das auch bei den oben beschriebenen Schlüsselverschlüsselungsmasken
und maskierten Tabellen der Fall war. Die Rotation der bei den Entmaskierungsschritten
verwendeten Werte entspricht der effektiven Rotation der Ausgangsmaskierung
der Rundenschlüssel,
die durch Ersetzung der maskierten Rundenschlüssel, wie oben beschrieben,
durchgeführt
wird. Wie zu ersehen ist, kann die Anzahl und Reihenfolge der Entmaskierungsschritte
auf verschiedene Weise definiert werden. Die Entmaskierungswerte
können
als Tupel beschrieben werden, wobei jedes Tupel einer der angewendeten
Ausgangsmasken entspricht und Kombinationen der Werte im Tupel in
zwei oder mehr Entmaskierungsschritten anwendet werden, sodass der
Ausgangsmaskierungsschritt effektiv aufgehoben wird.
-
Das
Ergebnis ist eine Menge von vier 32-Bit-Geheimtextwerten c0, c1,
c2, c3, die unter Verwendung des AES-Verschlüsselungsprozesses verschlüsselt werden.
-
Wie
in der obigen Beschreibung ausgeführt und in 1 dargestellt,
beinhaltet der Ansatz der vorteilhaften Ausführung eine Rotation der Maskierungswerte
und Tabellen. Die Rotation dieser Werte und Tabellen wird in der
vorteilhaften Ausführung durch
eine Kennung oder einen Zeiger umgesetzt, die/der angibt, welche
Tabellen und Maskierungswerte aus der verfügbaren Auswahl anzuwenden sind.
In jeder Runde wird ein Zeiger verwendet; dieser verweist auf die
Adresse der aktuellen Menge von Tabellen und Schlüsselverschlüsselungsmasken
für den ersten
Rundenschlüssel
für die
betreffende Runde. Die übrigen
drei Rundenschlüssel
für die
Runde verwenden diesen einen Zeiger und einen geeigneten Versatz
zur Bestimmung der jeweiligen Tabellen und Maskenwerte. In der vorteilhaften
Ausführung
beinhaltet die Umsetzung der Datenstrukturen für die Tabellen und Maskenwerte
die Verwendung doppelt verketteter Listen.
-
Ein
effizientes Verfahren zum Verwalten des Versatzes und der Speicherung
der Tabellenwerte und Maskenwerte besteht darin, die Schlüsselver schlüsselungsmasken
und Adressen der Menge maskierter Ersetzungstabellen der Reihe nach
in einer Speichervorrichtung zu speichern. So lässt sich der Versatz gegenüber dem
ersten Rundenschlüssel auf
einfache Weise berechnen. In ähnlicher
Weise werden die Adressen für
die Menge der Tabellen Te*0, Te*1, Te*2, Te*3 der Reihe nach im
Speicher gespeichert.
-
Die
Rotation der Maskierungswerte und Tabellen wird entsprechend einer
randomisierten Auswahl eines Modus aus einer Mehrzahl von Betriebsmodi
durchgeführt.
In dem in 1 dargestellten Beispiel der
vorteilhaften Anwendung gibt es vier Betriebsmodi:
- a. Inkrementierungsmodus: Für
jede AES-Runde werden, wenn die Inkrementierung ausgewählt ist,
die Verschlüsselungsmasken
für die
Rundenschlüssel
und die Menge der Tabellen nach links verschoben (wie in 1 dargestellt;
die den Rundenschlüsseln
n zugeordneten Schlüsselverschlüsselungsmasken
und Tabellen werden durch die zuvor den Rundenschlüsseln n
+ 1 zugeordneten Werte ersetzt und im Beispiel der vorteilhaften Ausführung modulo
4 genommen, sodass die Werte umlaufen); anschließend wird der Rundenschlüssel durch
Exklusiv-ODER mit der Schlüsselverschlüsselungsmaske
verknüpft
und zur Durchführung
der AES-Abfrage
auf die Menge maskierten Tabellen zugegriffen;
- b. Dekrementierungsmodus: Die Rundenschlüssel werden durch Exklusiv-ODER
mit den Schlüsselverschlüsselungsmasken
und Tabellen verknüpft
und die Schlüsselverschlüsselungsmasken werden
nach rechts verschoben (die den Rundenschlüsseln n zugeordneten Schlüsselverschlüsselungsmasken
und Tabellen werden durch die zuvor den Rundenschlüsseln n – 1 zugeordneten Werte
ersetzt und im Beispiel der vorteilhaften Ausführung modulo 4 genommen, sodass
die Werte umlaufen), und es wird auf die Menge maskierter Tabellen
zugegriffen;
- c. Modus „Kein
Wechsel": Es erfolgt
keine Maskierung unter Verwendung der Schlüsselverschlüsselungsmasken und keine Verschiebung der
Tabellen oder Schlüsselverschlüsselungsmasken,
und es wird auf die Menge maskierter Tabellen zugegriffen.
- d. Modus „Inkrementierung
um zwei": Für jede AES-Runde
werden, wenn die Inkrementierung um zwei ausgewählt ist, die Verschlüsselungsmasken
für die
Rundenschlüssel
und die Menge der Tabellen nach links verschoben (wie in 1 dargestellt);
anschließend
wird der Rundenschlüssel
durch Exklusiv-ODER mit der Schlüsselverschlüsselungsmaske
verknüpft.
Daraufhin werden die Verschlüsselungsmasken
für die Rundenschlüssel und
die Menge der Tabellen nochmals nach links verschoben; dann wird
der Rundenschlüssel
durch Exklusiv-ODER mit der Schlüsselverschlüsselungsmaske
verknüpft.
Abschließend
wird zur Durchführung
der AES-Abfrage auf die Menge maskierter Tabellen zugegriffen.
-
Wie
zu ersehen ist, wird die Sicherheit eines kryptografischen Vorgangs
durch die Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken
und der maskierten Tabellen erhöht.
Selbst wenn beispielsweise der Angreifer durch Stromverbrauchs-
oder elektromagnetische Analysen feststellen kann, dass eine Rotation
im Modus „Inkrementierung
um zwei" durchgeführt wurde,
unterscheidet sich die resultierende Maske für den Rundenschlüssel von
vorherigen Masken für
denselben Rundenschlüssel,
für den
dieselbe Rotation im Modus „Inkrementierung
um zwei" verwendet
wurde. Somit führt
das Rotationsschema nicht direkt zu Informationen zur Maskierung,
da die Maskierung zustandsabhängig
ist. Dies steht im Gegensatz zu früheren Vorgehensweisen, bei
denen als Ergebnis der Ausführung
von Anweisungen zur Auswahl zwischen alternativen Rundenschlüsseln (gegebenenfalls
unter Verwendung von Fallanweisungen) direkt auf soeben maskierte
Rundenschlüssel
zugegriffen wird. Bei solchen früheren
Vorgehensweisen können
anhand von Informationen aus Stromverbrauchsanalysen, mit denen
sich die ausgeführten Anweisungen
(beispielsweise der ausgewählte
Fall) bestimmen lassen, unmittelbar Informationen zu Stromspuren
gewonnen werden, die sich auf dieselben Masken des Rundenschlüssels beziehen.
Bei diesen Vorgehensweisen werden die Maskierungen unabhängig von
vorherigen Maskierungen ausgewählt
(sie sind somit nicht zustandsabhängig, d. h. vom vorherigen
Zustand bzw. von der Maske des Rundenschlüssels abhängig, die bei einem vorherigen
Aufruf eines kryptografischen Prozesses verwendet wurde). Bei diesen
anderen Ansätzen
kann durch eine DPA erster Ordnung der gewählten Stromspuren an der Ausgabe
der S-Boxen der Rundenschlüsselwert
aufgedeckt werden.
-
In
der vorteilhaften Ausführung
werden je nach vorherigen Maskenwert des Rundenschlüssels unterschiedliche
resultierende Masken für
den Rundenschlüssel
erzeugt. Wenn darüber
hinaus die Rotation, wie oben beschrieben, in zufälliger Weise definiert
wird, erhöht
sich die Sicherheit weiter. Die vier oben als Beispiele beschriebenen
Verschiebungsmodi können
durch einen Zwei-Bit-Wert angegeben werden, der für jede Runde
des AES-Prozesses (oder für
jede Iteration des kryptografischen Prozesses) zufällig erzeugt
wird. Sofern die Verschiebung der Schlüsselverschlüsselungsmasken und der maskierten
Tabellen synchron erfolgen, hat die Verschiebung keine Auswirkungen
auf die Ausgabe des maskierten kryptografischen Prozesses. Diese
randomisierte Rotation der Masken und der maskierten Tabellen bewirkt
jedoch, dass ein Angriff auf den kryptografischen Prozess erschwert
wird.
-
Wie
für Fachleute
ersichtlich ist, sind bei der Rotation auch andere Vorgehensweisen
möglich. Beispielsweise
können
die Rundenschlüssel
in zwei Gruppen von jeweils zwei Schlüsseln geteilt werden und für jede der
beiden Gruppen eine Rotation der Masken und Tabellen definiert werden.
Des Weiteren kann ein solcher Ansatz in die Verschiebung von Masken
und Tabellen für
die Gesamtmenge der vier Rundenschlüssel eingebunden werden, sodass
die Rotation zwischen einer Rotation für die gesamte Gruppe und einer
für beiden
Teilmengen definierten Rotation variiert.
-
Die
Kombinationen der Rotationsschemas und der Maskendefinitionen können aufgrund
von Sicherheitsanforderungen und der Verfügbarkeit von Ressourcen des
Systems gewählt
werden, auf dem die Gegenmaßnahmen
der vorteilhaften Ausführung eingesetzt
werden. Durch eine erhöhte
Komplexität der
Definition der Masken und Rotationsschemas erhöht sich die Sicherheit, aber
auch der Mehraufwand an Systemressourcen und Zeit.
-
Die
Definition der Eingabe- und Ausgabemasken kann entsprechend den
Sicherheits- und Systemanforderungen gewählt werden. In Bezug auf Ausgabemasken
kann das Ausgaberaster der Tabellen, die durch Exklusiv-ODER miteinander
verknüpft werden,
so definiert werden, dass eine Aufhebung erfolgt, wie oben beschrieben.
Beispielsweise heben sich in 1 die Maskenausgaben
45, 46, 57, 67 auf, sodass keine Maske verbleibt, nachdem die Exklusiv-ODER-Verknüpfung durchgeführt wurde
(wie durch die fettgedruckte horizontale Linie in Kasten 10 der
Abbildung dargestellt). Wie für
Fachleute ersichtlich ist, können
die Ausgabemasken ersatzweise so definiert werden, dass sie zusammen
in einer festen Maske resultieren, wobei sich die Definition der
Eingabemasken der maskierten Ersetzungstabellen und Rundenschlüsselmasken
dahingehend verändert, dass
diese die gewählte
feste Maske widerspiegeln. Eine weitere Alternative besteht darin,
zwei oder mehr Mengen maskierter Ersetzungstabellen zu unterstützen, wobei
entweder die Masken sich aufheben oder eine feste Maske erzeugt
wird, die in die Maske der Rundenschlüssel und die Eingabemaske der
Ersetzungstabellen eingebunden wird.
-
Die
unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Rotation der
Masken und Tabellen anhand der genannten vier Modi kann vorteilhafterweise
unter Verwendung beschränkter
Speicher- und Stromressourcen umgesetzt werden und eignet sich damit
gut für
die Umsetzung auf mobilen Computergeräten, bei denen Einschränkungen
bezüglich
des Speichers und des Stromverbrauchs für kryptografische Vorgänge wesentlich
sind.
-
In
der obigen Beschreibung wird die Maskierung von beim AES-Verschlüsselungsprozess
verwendeten Schlüsseln
und Tabellen entsprechend der vorteilhaften Ausführung beschrieben. 2 ist
ein Blockdiagramm, dass auf hoher Abstraktionsebene die in der vorteilhaften
Ausführung
durchgeführten Maskierungsschritte
aufzeigt. 2 zeigt den maskierten Schlüssel (102;
mit dem maskierten Schlüsselausgangswert
rk) sowie den Klartext (104) und die Ausgabe (106).
In dem in 2 dargestellten verallgemeinerten
Verschlüsselungsprozess
wird der maskierte Schlüssel
(102) durch die Exklusiv-ODER-Verknüpfung (110) mit einer
Schlüsselverschlüsselungsmaske
maskiert, die aus einer Menge von Schlüsselverschlüsselungsmasken 0...n (Menge 111)
ausgewählt
wird. Der Klartext (104) wird in der Exklusiv-ODER-Verknüpfung (112)
mit dem resultierenden Wert maskiert. Der Ergebnis wird anschließend als Eingabewert
an eine ausgewählte
S-Tabelle aus einer Menge maskierter S-Tabellen 0...n (113) übergeben,
wobei die Ausgabe als Ausgabe (106) dargestellt ist.
-
Der
in 2 dargestellte vereinfachte Verschlüsselungsprozess
veranschaulicht die Rotation der Schlüsselverschlüsselungsmasken. Die Schlüsselverschlüsselungsmasken
0...n (111) sind als mögliche
Eingaben für
die Exklusiv-ODER-Verknüpfung (110)
dargestellt. In ähnlicher
Weise sind die S-Tabellen
0...n als möglicherweise
durch die Ausgabe der Exklusiv-ODER-Verknüpfung (112) indiziert
dargestellt. Wie oben im Einzelnen im Hinblick auf die AES-Umsetzung
der vorteilhaften Ausführung
beschrieben, werden die Menge der Schlüsselverschlüsselungsmasken und die Menge
der maskierten S-Tabellen so definiert, dass die Elemente jeder
Menge einander entsprechen, sodass der Wert der Ausgabe (106)
vorhersagbar ist. Anders ausgedrückt, kann
die Ausgabe (106) in einigen Umsetzungen dieselbe sein
wie in dem Fall, dass keine Maskierung des Schlüssels oder der S-Tabellen erfolgt.
In einer alternativen Umsetzung weicht die Ausgabe (106) von
der Verschlüsselung
der entmaskierten S-Tabelle ab, doch diese Abweichungen erfolgen
auf bekannte Weise und können
berichtigt oder in nachfolgenden Vorgängen, die an oder mit der Ausgabe (106)
vorgenommen werden, zugelassen werden.
-
2 zeigt,
auf welche Weise der maskierte Schlüssel (102) mit den
Schlüsselverschlüsselungsmasken
maskiert wird. Der Wert des maskierten Schlüssels (102), der sonst
beim Verschlüsselungsprozess
verwendet würde,
wird effektiv durch die Ausgabe der Exklusiv-ODER-Verknüpfung (110)
ersetzt. Auf diese Weise wird der bei der Verschlüsselung
verwendete maskierte Schlüssel
in Bezug zum vorherigen Wert des maskierten Schlüssels (102) definiert.
Dadurch wird der neue maskierte Schlüssel zustandsabhängig.
-
2 zeigt
darüber
hinaus, dass die Elemente der Menge von Schlüsselverschlüsselungsmasken 0...n rotiert
werden können,
da sie auf den maskierten Schlüssel 102 (in
der Exklusiv-ODER-Verknüpfung
(110)) angewendet werden. In ähnlicher Weise werden die S-Tabellen
0...n synchron rotiert.
-
Verschiedene
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung wurden im Einzelnen als Beispiele beschrieben;
wie für
Fachleute ersichtlich ist, können Veränderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Die Erfindung deckt alle derartigen Veränderungen und Abwandlungen
ab, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen. Übersetzung
der Figuren
| Fig
1 | |
| Masked
Round Key | Maskierter Rundenschlüssel |
| key
encryption mask | Schlüsselverschlüsselungsmaske |
| plaintext | Klartext |
| 4 Sets
of 4 Masked Tables | 4 Mengen von 4 maskierten
Tabellen |
| Repeat
for i = 1..9 rounds | Wiederholen für i = 1...9 Runden |
| Final
Stage of AES | Abschließende Phase von
AES |
| Masked
Cipher Text | Maskierter Geheimtext |
| Unmask
Cipher Text | Geheimtext entmaskieren |
| Unmasked
Cipher Text | Entmaskierter Geheimtext |
| FIG.
1 | ABB. 1 |
| | |
| Fig.
2 | |
| Masked
Key 102 | Maskierter Schlüssel 102 |
| XOR 110 | XOR 110 |
| Key
Encryption Mask 0 | Schlüsselverschlüsselungsmaske 0 |
| Plaintext 104 | Klartext 104 |
| Key
Encryption Mask n | Schlüsselverschlüsselungsmaske n |
| XOR 112 | XOR 112 |
| S-Table
0 | S-Tabelle 0 |
| S-Table
n | S-Tabelle n |
| Output 106 | Ausgabe 106 |
| FIG. 2 | ABB. 2 |