DE60302512T2

DE60302512T2 - Feistel-Verschlüsselungsverfahren und -vorrichtung mit Schutz gegen DPA-Angriffe

Info

Publication number: DE60302512T2
Application number: DE60302512T
Authority: DE
Inventors: Koichi Fujisaki; Masahiko Minato-ku Motoyama; Yuuki Tomoeda; Atsushi Shimbo; Hanae Ikeda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: US7159115B2; DE60302512D1; JP4357815B2; US20040091107A1; EP1398901B1; JP2004101981A; EP1398901A1

Description

Diese Anwendung basiert auf und beansprucht die Vorteile aus der Priorität von der früheren japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2002-264977, eingereicht am 11. September, 2002, deren gesamter Inhalt hierin durch Verweis enthalten ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschlüsselungsvorrichtung und ein Verfahren, die mit einem Algorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt sind, und im Besonderen ein(e) gegen einen Angriff einer differentiellen Leistungsanalyse widerstandsfähige(s) Verschlüsselungsvorrichtung und -verfahren.
Bei einem Angriff einer konventionellen differentiellen Leistungsanalyse (differential power analysis, DPA) produziert ein Angreifer einen auf einen Leistungsverbrauch während eines Verschlüsselungsbetriebs eines Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises bezogenen Graphen. Mit Verwenden des Leistungsverbrauchsgraphen kann der Angreifer in dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis gespeicherte Schlüsselinformation stehlen.
Bei einem DPA-Angriff gibt ein Angreifer eine Vielzahl von Datenstücken in einen Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis ein und erhält Messungen des entsprechenden Leistungsverbrauchs des Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises. Als nächstes schätzt der Angreifer die in dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis gespeicherte Schlüsselinformation. Wenn zu dieser Zeit ein Korrelationswert zwischen der geschätzten Schlüsselinformation und dem Leistungsverbrauch groß ist, ist die geschätzte Schlüsselinformation dann korrekt, andernfalls ist die geschätzte Schlüsselinformation inkorrekt. Der DPA-Angriff verwendet, mit anderen Worten, ein Prinzip einer Korrelation zwischen der geschätzten Schlüsselinformation und dem Leistungsverbrauch des Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises.
Beim Ereignis eines DPA-Angriffes können Benutzer des Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises nicht bestimmen, durch Untersuchen des physischen Erscheinens des Schaltkreises, ob die Schlüsselinformation durch den DPA-Angriff gestohlen worden ist oder nicht, weil der DPA-Angriff den Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis nicht beschädigt oder zerstört. Deshalb ist ein möglicher Schaden aus einem DPA-Angriff größer als aus anderen Angriffstypen, weil der Angriff schwieriger zu detektieren ist. Deshalb ist eine Gegenmaßnahme gegen den DPA-Angriff wichtig beim Schützen eines Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises.
Die häufigsten Schlüsselblockkryptosysteme, z.B. Smartcards und sichere Token, setzen einen Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ ein, der von Horst Feistel entwickelt wurde. Die offengelegte japanische Patentschrift 2000-66585 offenbart eine Gegenmaßnahme gegen den DPA-Angriff für einen Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis, die den Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ nutzt. Im Besonderen offenbart die offengelegte japanische Patentschrift 2000-66585, dass die Schlüsselinformation während eines die Schlüsselinformation verwendenden Betriebs maskiert wird, so dass keine Korrelation zwischen dem Leistungsverbrauch während des die Schlüsselinformation verwendenden Betriebs und der Schlüsselinformation vorliegt. Diese in der offengelegten japanischen Patentschrift 2000-66585 offenbarte Technik ist eine wirkungsvolle Gegenmaßnahme gegen einen DPA-Angriff, der bei dem Ende einer Operation bzw. eines Betriebs auftritt, aber ist keine wirkungsvolle Gegenmaßnahme gegen einen DPA-Angriff, der nach dem Ende der Operation bzw. des Betriebs auftritt.
DE-A-19936918 offenbart eine Verschlüsselungsvorrichtung mit einer Inverter-Einheit zum Ändern von verschlüsselten Daten in veränderte Daten nach einem Ausgeben der verschlüsselten Daten.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verschlüsselungsvorrichtung und ein verwandtes Verfahren und ein Trägermedium bereit, wie in Ansprüchen 1, 9 und 10 definiert.
Eine die Erfindung verkörpernde Verschlüsselungsvorrichtung enthält eine Verschlüsselungsverarbeitungseinheit, die konfiguriert ist zum Iterieren einer spezifizierten Operation, um Daten zu verschlüsseln und um die verschlüsselten Daten extern auszugeben, wobei die Verschlüsselungsverarbeitungseinheit enthält: einen nicht-linearen Transformationsschaltkreis, der konfiguriert ist zum nicht-linearen Transformieren eines angegebenen ersten Datenblocks basierend auf eingegebener Schlüsselinformation und der konfiguriert ist zum Ausgeben des nicht-linear transformierten Ergebniswertes, einen Logikbearbeitungsschaltkreis, der konfiguriert ist zum logischen Bearbeiten des nicht-linear transformierten Ergebniswertes und eines eingegebenen zweiten Datenblocks, und der konfiguriert ist zum Ausgeben des logischen bearbeiteten Ergebniswertes, und ein Ersetzungsmodul, das konfiguriert ist zum Ersetzen des zweiten Datenblocks mit dem ersten Datenblock und des ersten Datenblocks mit dem logischen bearbeiteten Ergebniswert; und ein Änderungsmodul, das konfiguriert ist zum Ändern der in den nicht-linearen Transformationsschaltkreis eingegebenen Schlüsselinformation in einen Wert ohne Beziehung zu der Schlüsselinformation, wobei das Änderungsmodul eine Ausführung beginnt, nachdem die verschlüsselten Daten von der Verschlüsselungsverarbeitungseinheit ausgegeben sind.
Eine andere die Erfindung verkörpernde Verschlüsselungsvorrichtung enthält eine Verschlüsselungsverarbeitungsvorrichtung, die konfiguriert ist zum Iterieren bzw. wiederholen einer spezifizierten Operation, um Daten zu verschlüsseln und um die verschlüsselten Daten extern auszugeben, wobei die Verschlüsselungsverarbeitungseinheit enthält: einen nicht-linearen Transformationsschaltkreis, der konfiguriert ist zum nicht-linearen Transformieren eines eingegebenen ersten Datenblocks basierend auf eingegebener Schlüsselinformation und der konfiguriert ist zum Ausgeben des nicht-linear transformierten Ergebniswertes, einen Logikbearbeitungsschaltkreis, der konfiguriert ist zum logischen Bearbeiten des nicht-linear transformierten Ergebniswertes und eines eingegebenen zweiten Datenblocks und der konfiguriert ist zum Ausgeben des logischen bearbeiteten Ergebniswertes, und ein Ersetzungsmodul, das konfiguriert ist zum Ersetzen des zweiten Datenblocks mit dem ersten Datenblock und des ersten Datenblocks mit dem logischen bearbeiteten Ergebniswertes; und eine erste Änderungseinheit, die konfiguriert ist zum Ändern des in den nicht-linearen Transformationsschaltkreis eingegebenen ersten Datenblocks in einen Wert ohne Beziehung zu dem ersten Datenblock, wobei die erste Änderungseinheit eine Ausführung beginnt, nachdem die verschlüsselten Daten von der Verschlüsselungsverarbeitungseinheit ausgegeben sind.
Eine weitere die Erfindung verkörpernde Verschlüsselungsvorrichtung ist mit einem Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt, eine nicht-lineare Transformation enthaltend, und enthält ein zum Speichern von Daten in der Verschlüsselungsvorrichtung konfiguriertes Register; und eine Änderungseinheit, die konfiguriert ist zum Ändern eines Datenblocks, auf den die nicht-lineare Transformation angewendet werden soll, in einen Wert ohne Beziehung zu diesem Datenblock, um das Register mit Information ohne Beziehung zu einem Verschlüsselungsprozess zu versorgen, wobei die Änderungseinheit eine Ausführung beginnt, nachdem die verschlüsselten Daten ausgegeben sind.
Eine weitere die Erfindung verkörpernde Verschlüsselungsvorrichtung ist mit einem Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt, eine nicht-lineare Transformation enthaltend, und enthält ein Daten in der Verschlüsselungsvorrichtung speicherndes Register; und eine Änderungseinheit, die konfiguriert ist zum Ändern der Schlüsselinformation, auf die die nicht-lineare Transformation angewendet werden soll, in einen Wert ohne Beziehung zu der Schlüsselinformation, um das Register mit Information ohne Beziehung zu einem Verschlüsselungsverarbeiten zu versorgen, wobei die Änderungseinheit eine Ausführung beginnt, nachdem die verschlüsselten Daten ausgegeben sind.
Zusätzliche Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung bekannt gemacht und sind zum Teil aus der Beschreibung offensichtlich, oder können durch Ausübung der Erfindung erlernt werden. Die Vorteile der Erfindung werden mittels der Elemente und Kombinationen realisiert und erzielt, auf die in den beigefügten Ansprüchen besonders hingewiesen wird.
Die vorliegende Erfindung kann entweder in Hardware oder in Software auf einem Mehrzweck-Computer implementiert sein. Ferner kann die vorliegende Erfindung in einer Kombination von Hardware und Software implementiert sein. Die vorliegende Erfindung kann auch durch eine einzelne Verarbeitungsvorrichtungen implementiert sein.
Da die vorliegende Erfindung durch Software implementiert sein kann, umfasst die vorliegende Erfindung für einen Mehrzweck-Computer auf irgendeinem geeigneten Trägermedium bereitgestellten Computer-Code. Das Trägermedium kann irgendein Speichermedium umfassen, so wie eine Diskette, eine CD-ROM, ein Magnetgerät oder ein flüchtiges Medium, so wie irgendein Signal, z.B. ein elektrisches, optisches oder ein Mikrowellensignal.
Es sollte verstanden werden, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind, und nicht einschränkend für die Erfindung sind, wie beansprucht.
Die begleitenden Zeichnungen, die hierin enthalten sind und die einen Teil dieser Beschreibung ausmachen, veranschaulichen einige auf die Erfindung bezogene Aspekte und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erklären der Prinzipien der Erfindung.
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verarbeiten durch einen Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ in einem Verschlüsselungsbetriebsschalkreis veranschaulicht;
2 ist ein Diagramm einer Schaltkreiskonfiguration für einen Datenpfadteil in einem mit einem Algorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellten Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis;
3 ist ein Diagramm eines Datenpfadteils in einer Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration für den in 2 gezeigten Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis;
4 ist ein Diagramm, das einen Datenpfad in einer Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration für den in 2 gezeigten Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis zeigt; und
5 bis 12 sind Diagramme von beispielhaften Konfigurationen eines Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises, eine Gegenmaßnahme gegen einen DPA-Angriff enthaltend, der konsistent mit zu der vorliegenden Erfindung bezogenen Aspekten ist.
Nun wird im Detail auf die Erfindung bezogene Aspekte verwiesen werden, wobei Beispiele davon in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer möglich werden dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet, um auf selbe oder ähnliche Teile zu verweisen.
1 ist ein Flussdiagramm, das den Verarbeitungsfluss eines Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ in einem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis veranschaulicht. Zuerst unterwirft der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis zu verschlüsselnde eingegebene Blockdaten einer Anfangspermutation (Initial Permutation, IP). Die IP ordnet Daten unter eingegebenen Blockdatenbits um (Stufe 100). Dann teilt der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis die Blockdaten nach der Anfangspermutation in zwei Blöcke auf, die jede n/2 Bits haben (Stufe 102). Mit Verwenden dieser zwei Blöcke als Anfangswerte wiederholt der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis als nächstes die folgende Operation (Stufe 104). Li = Ri-1 Ri = Li-1⊗F (Schlüsseli, Ri-1)wobei i die Anzahl von Operationen (1 ≤ i ≤ k) ist, R_i die rechten Blockdaten in der i-ten Operation sind, L_i die linken Blockdaten in der i-ten Operation sind, Schlüssel_i die i-te Schlüsselinformation ist, F eine Funktion zum Ausführen einer nicht-linearen Operation ist, und ⊗ ein exklusives ODER (XOR) ist.
Nachdem die Wiederholungsoperation (Stufe 106) k Male wiederholt ist, kombiniert der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis die Ergebnisse der Operationen R_k und L_k bzw. fasst diese zusammen (Stufe 108). Im Speziellen fasst der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis L_k als den Block der n/2 Bits der höheren Ordnung und R_k als den Block der n/2 Bits der niedrigeren Ordnung zu n-Bits Blockdaten zusammen.
Schließlich unterwirft der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis die zusammengefassten bzw. kombinierten Blockdaten einer inversen Anfangspermutation ("IP^–1"), und das Ergebnis wird erhalten und die Operation endet (Stufe 110).
2 ist ein Blockdiagramm der Konfiguration eines Datenpfadteils in einem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200, der mit einem Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt ist. Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 enthält eine IP-Einheit 204, ein R-Register 206, ein L-Register 208, eine Funktionsoperationseinheit 210, eine IP^–1-Einheit 212, 3-Eingang-1-Ausgang-Selektoren 214 und 216 und Datenpfade 236 und 238.
IP-Einheit 204 ist ein Schaltkreismodul, das eine Anfangspermutationsoperation auf einer Eingabe 202 ausführt basierend auf vorbestimmten Regeln. Funktionsoperationseinheit 210 ist ein Schaltkreismodul, das die Operation einer vorgeschriebenen nicht-linearen Funktion F ausführt. IP^–1- Einheit 212 ist ein Schaltkreismodul, das eine inverse Anfangspermutationsoperation basierend auf Regeln reziprok zu den vorbestimmten Regeln, die durch IP-Einheit 204 verwendet sind, ausführt. L-Register 208 und R-Register 206 haben jeweils eine N/2-Bitbreite. 3-Eingang-1-Ausgang-Selektoren 214 und 216 antworten auf ein Signal von einer Steuerschaltkreiseinheit (nicht gezeigt) und wählen Daten aus, die in L-Register 208 und R-Register 206 eingegeben werden sollen. Die drei Eingänge bzw. Eingaben (222, 224 und 226) an Selektor 214 sind der Wert der n/2 Bits der höheren Ordnung von der IP-Einheit 204, der Ausgabewert vom R-Register 206, und ein Wert, der durch das exklusive ODER-Verknüpfen des Ausgabewertes des L-Registers 208 und des Ausgabewertes der Funktionsoperationseinheit 210 produziert ist. Die drei Eingänge bzw. Eingaben (228, 230 und 232) an Selektor 216 sind der Wert der n/2 Bits der niedrigeren Ordnung von IP-Einheit 204, der Ausgabewert vom R-Register 206, und ein Wert, der durch exklusives ODER-Verknüpfen des Ausgabewertes vom L-Register 208 und des Ausgabewertes von Funktionsoperationseinheit 210 produziert ist. Nachdem alle Iterationen beendet sind, produziert Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 eine Ausgabe 220.
Das Ergebnis der in der oben beschriebenen Konfiguration verarbeiteten Verschlüsselungsoperation ist C = (C₁, C_r) und kann wie folgt ausgedrückt werden: C = IP–1{(Lk⊗F(Schlüsselk,Rk)),Rk}.
Im Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 verändert IP^–1-Einheit 212 nur die Anordnung von Bits, und deshalb kann der Wert von R_k ohne weiteres aus dem Operationsergebnis C spezifiziert werden. Sobald der Wert R_k spezifiziert ist, wird der Ausgabewert von Funktionsoperationseinheit 210 nach der Operation nur durch den Wert einer Variable in der Schlüsselinformation, Schlüssel_k, bestimmt. Folglich kann mit Verwenden des Ausgabeergebnisses von Funktionsoperationseinheit 210 als ein Angriffspunkt die Schlüsselinformation Schlüssel_k geschätzt werden, und ein DPA-Angriff kann durchgeführt werden.
Wenn eine Korrelation zwischen Schwankungen in dem Leistungsverbrauch und der Operation bzw. dem Betrieb der Schlüsselinformation durch Funktionsoperationseinheit 210 vorliegt, kann der Angreifer die Schlüsselinformation bestimmen. Im Besonderen führt der Angreifer einen DPA-Angriff in dem Moment aus, wenn eine Verschlüsselungsoperation endet, und stiehlt die Schlüsselinformation in dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis. Diese Art von DPA-Angriffen kann verhindert werden, z.B. durch die in der offengelegten japanischen Patentschrift 2000-66585 beschriebene Technik.
Ein mit einem Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellter Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis kann einem Angriff zu irgendeinem Punkt nach dem Ende einer Verschlüsselungsoperation unterworfen werden (die Zeit nach dem Ende der Operation und fortschreitend) zusätzlich zu dem Moment, wenn die Verschlüsselungsoperation endet, und die Schlüsselinformation in dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis kann durch den DPA-Angriff gestohlen werden. Daten können in dem Datenpfadteil zur Zeit eines Ausgebens eines Operationsergebnisses von dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis durch zwei unterschiedliche Verfahren gesteuert bzw. kontrolliert werden. Die DPA-Angriffspunkte nach der Verschlüsselungsoperation unterscheiden sich abhängig von dem Verfahren, durch welches die Daten gesteuert bzw. kontrolliert werden.
3 ist ein Diagramm eines Datenpfadteils in einer Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration für den in 2 gezeigten Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis. Gemäß dieser Konfiguration wählt Selektor 216 einen Datenpfad 302 aus, und Selektor 214 wählt einen Datenpfad 304 aus zu der Zeit eines Ausgebens eines Operationsergebnisses. In dieser Konfiguration werden die Daten vom L-Register 208 und R-Register 206 ausgetauscht und die Operation endet. Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 setzt mit anderen Worten eine Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration ein.
4 ist ein Diagramm, das einen Datenpfad in einer Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration für den in 2 gezeigten Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis zeigt. Gemäß dieser Konfiguration wählt Selektor 216 Datenpfad 404 aus, und Selektor 214 wählt Datenpfad 402 aus zur Zeit eines Ausgebens eines Operationsergebnisses. In dieser Konfiguration werden die Daten vom L-Register 208 und R-Register 206 nicht ausgetauscht und die Operation endet. Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 setzt mit anderen Worten eine Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration ein.
In einem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200, der mit einem Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt ist, um die durch den Algorithmus bestimmte Wiederholungsoperation auszuführen, steuert ein Steuerschaltkreis (nicht gezeigt) Selektoren 214 und 216, so dass die linken und rechten Daten ausgetauscht werden. Wenn ein Operationsergebnis ausgegeben wird, wird die Operation im Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 gesteuert, in der Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration zu enden, wobei die linken und rechten Daten ausgetauscht sind, sofern es nicht besonders erforderlich ist, Anderes zu tun. Die Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration wird eingesetzt, weil die Steuerung eines Austauschens der linken und rechten Daten ähnlich der Wiederholungsoperation einfach ausgeführt wird, und das Ausmaß des Schaltkreises klein sein kann, eher als die Steuerung eines Änderns des Datenflusses zur Zeit eines Ausgebens des Operationsergebnisses, selbst wenn das Operationsergebnis ausgegeben ist.
In einem mit einem Dreifach-Datenverschlüsselungs-Standard (Triple Data Encryption Standard, Triple DES, 3DES) bereitgestellten Schaltkreis, der DES dreimal ausführt, muss ein Steuerschaltkreis verhindern, dass linke und rechte Daten zwischen dem Ende der ersten DES-Operation und dem Start der zweiten DES-Operation und zwischen dem Ende der zweiten DES-Operation und dem Start der dritten DES-Operation ausgetauscht werden. Deshalb wird, nach der dritten DES-Operation, häufig die Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration eingesetzt, so dass die linken und rechten Daten nicht ausgetauscht werden vor einer Ausgabe. Der Steuerschaltkreis vermeidet ein Schalten zwischen diesen Fällen während einer Operation soweit wie möglich, um das Schaltkreisausmaß zu reduzieren. Selektoren 214 und 216 werden gesteuert, die Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration bei dem Ende der dritten Operation als auch bei dem Ende der ersten und zweiten Operationen zu haben, so dass die Anzahl von Umschaltungen zwischen einer Operation reduziert werden kann und das Ausmaß des Steuerschaltkreises reduziert werden kann.
Wie oben beschrieben, setzt ein Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis die Kreuz- oder Direktschaltkreiskonfiguration ein, wenn ein Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt ist.
Nun wird der Unterschied zwischen den Angriffspunkten durch einen DPA-Angriff nach dem Ende einer Operation abhängig von dem Unterschied zwischen diesen Schaltkreiskonfigurationen beschrieben. Zuerst wird das Zeitverhalten bzw. Timing von Angriffspunkten durch einen DPA-Angriff und der Grund für die Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration mit Verweis auf 3 beschrieben.
Zur Zeit eines Taktsignals Takt_fin zum Ausgeben eines Operationsergebnisses ist der Wert vom L-Register 208 L_fin und der Wert vom R-Register 206 ist R_fin. Wenn das Ergebnis einer Operation durch den Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis C ist, kann zu dieser Zeit C ausgedrückt werden mit Verwenden des Ergebnisses der Verschlüsselungsoperation vom L-Register 208, C_l, und des Ergebnisses der Verschlüsselungsoperation vom R-Register 206, C_r, wie folgt: C = IP–1(Cl, Cr) = IP–1(Lfin⊗F(Schlüsselfin, Rfin)wobei IP^–1 ein Verarbeiten ist zum Ändern der Anordnung von Bits in der inversen Anfangspermutation. Deshalb sind die Werte von R_fin und L_fin⊗F (Schlüssel_fin, R_fin) ohne weiteres verfügbar aus dem Operationsergebnis C.
Nun, wenn das Taktsignal Takt_fin+1 ist, falls R-Register 206 mit einem Wert beschrieben werden kann, ist der Wert vom R-Register 206 L_fin⊗F (Schlüssel_fin, R_fin) = R_fin+1. Zu dieser Zeit ist die Schlüsselinformation dieselbe wie Schlüssel_fin zu Takt_fin. Deshalb ist die Ausgabe von Funktionsoperationseinheit 210 F (Schlüssel_fin, R_fin+1). Der Wert R_fin+1 ist ohne weiteres bestimmbar aus dem Ausgabeergebnis des Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises, und deshalb kann die Funktion F durch die Funktionsoperationseinheit 210 als eine Funktion mit Schlüssel_fin als einzige Variable betrachtet werden.
Unter Verwenden des Übergangs in der Ausgabe von Funktionsoperationseinheit 210 als ein Angriffspunkt schätzt auf diese Weise ein Angreifer die Ausgabe von Funktionsoperationseinheit 210. Aus diesem wird die Schlüsselinformation bestimmt.
Alternativ kann der Übergang in dem Wert vom L-Register 208 auch als Angriffspunkt verwendet werden. Die Werte vom L-Register 208 zu Zeiten von Takt_fin und Takt_fin+1 sind L_fin bzw. L_fin+1. Der Übergang in dem Wert des L-Registers 208 kann wie folgt ausgedrückt werden: Lfin⊗Lfin+1 = Rfin-1⊗Rfin
Die rechte Seite des obigen Ausdrucks wird basierend auf dem Wert von L-Register 208 in der Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration umgeschrieben, welche die Beziehung L_i = R_i-1 (1 ≤ i ≤ k) erfüllt. Hierbei ist R_fin ein Wert, der extern gemessen werden kann. Deshalb kann R_fin-1 geschätzt werden. Der Übergang im L-Register 208 hat einen Bezug zu den Schwankungen im Leistungsverbrauch vom Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200, und deshalb kann der Wert von R_fin-1 durch einen DPA-Angriff spezifiziert werden. Im Speziellen, wie oben beschrieben, können die Werte von L_fin⊗F (Schlüssel_fin, R_fin = R_fin+1 und R_fin gemessen werden, basierend auf dem Operationsergebnis C. Hierbei, da L_fin = R_fin-1 sind R_fin+1, L_fin und R_fin verfügbar, sobald R_fin-1 spezifiziert ist, so dass Schlüssel_fin bestimmt werden kann.
Wie oben beschrieben, kann ein Angreifer einen DPA-Angriff mit Erfolg ausführen, während des Übergangs in dem Ausgabewert von Funktionsoperationseinheit 210 oder dem Übergang in dem Wert vom L-Register 208.
Bei der Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration können verschiedene Gegenmaßnahmen unternommen werden, um solche DPA-Angriffe zu verhindern, wie mit Verweis auf 5-10 beschrieben werden wird.
Als eine Gegenmaßnahme gegen einen DPA-Angriff, der auf den Ausgabewert von Funktionsoperationseinheit 210 zur Zeit von Takt_fin+1 in der Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration bezogen ist, ist die Konfiguration von Verschlüsselungsoperationsschaltkreis 200 angepasst, so dass ein zur Funktionsoperationseinheit zur Zeit von Takt_fin+1 eingegebener Wert ein Wert ohne Beziehung zu der Schlüsselinformation ist. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel dieser Anpassung von Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 veranschaulicht. Wie in 5 gezeigt, ist ein zusätzlicher Selektor 502 bereitgestellt an einer Stelle zum Eingeben von Schlüsselinformation zur Funktionsoperationseinheit 210. Die Schlüsselinformation, Schlüssel, wird eingegeben bis zur Zeit von Takt_fin, und dann, zur Zeit von und nach Takt_fin+1, kann eine Zufallszahl, RN, eingegeben werden.
Alternativ zeigt 6 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Anpassung von Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 einschließlich eines Logikbearbeitungsschaltkreises 602 veranschaulicht. Wie in 6 gezeigt, kann ein Wert in die Funktionsoperationseinheit 210 eingegeben werden, der durch eine exklusive ODER-("XOR")-Operation, eine logische Multiplikations-("AND")-Operation, oder eine logische Additions-("OR")-Operation zwischen der Schlüsselinformation, Schlüssel, und einer Zufallszahl, RN, produziert wird. Zur Zeit von und nach Takt_fin+1 wird ein Operationsergebnis zu jedem Taktzyklus eingegeben, das durch Anwenden einer unterschiedlichen Zufallszahl, RN, produziert wird. Auf diese Weise werden die obigen Probleme gelöst.
Eine andere Konfiguration eines Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises, die verhindert, dass ein extern messbarer Wert in Funktionsoperationseinheit 210 eingegeben wird, kann ebenso eine wirksame Gegenmaßnahme sein. 7 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel dieser Konfiguration von Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 zeigt. Wie in 7 gezeigt, ist ein Selektor 702 bereitgestellt, der dem Eingang bzw. der Eingabe von Funktionsoperationseinheit 210 vorausgeht, und Zufallszahlen, RN, können anstelle des Inhalts von R-Register 206 zur Zeit von und nach Takt_fin+1 eingegeben werden.
8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer anderen Konfiguration vom Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 zeigt. Wie in 8 gezeigt kann anstelle von Selektor 702 Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 einen zusätzlichen Operationsschaltkreis 802 enthalten. Das Ergebnis einer Operation zwischen dem Wert vom R-Register 206 und einer Zufallszahl, RN, kann in Funktionsoperationseinheit 210 eingegeben werden. Diese Konfigurationen des Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises verhindern, dass die in dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis verwendete Schlüsselinformation oder ein Operationsergebnis direkt an Funktionsoperationseinheit 210 zur Zeit von oder nach Takt_fin+1 eingegeben werden. Dies kann DPA-Angriffe in Bezug auf die Ausgabe von Funktionsoperationseinheit 210 vereiteln.
Zusätzlich kann ein Setzen des Wertes von R-Register 206 als ein Wert ohne Beziehung für das Ergebnis einer Operation in und nach Takt_fin als eine Gegenmaßnahme gegen DPA-Angriffe gelingen. Der Grund für ein Verwenden von Takt_fin und nicht Takt_fin+1 hängt von dem Layout der Schaltkreise ab. 9 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel dieser Konfiguration von Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 veranschaulicht. Wie in 9 gezeigt, kann ein Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 einen Selektor 902 enthalten, der der Eingabe bzw, dem Eingang vom R-Register 206 vorangeht, so dass eine Zufallszahl, RN, in R-Register 206 vom Selektor 902 zur Zeit von und nach Takt_fin+1 geschrieben wird.
10 zeigt ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel dieser Konfiguration vom Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 veranschaulicht. Wie in 10 gezeigt können das Ergebnis von Datenpfad 236 und eine Zufallszahl, RN, einer logischen Operation unterworfen werden, die durch Logikbearbeitungsschaltkreis 1002 durchgeführt wird. Der mit der oben beschriebenen Gegenmaßnahme bereitgestellte Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis hält einen Angreifer davon ab, mit Verwenden des Übergangs in der Ausgabe von Funktionsoperationseinheit 210 als ein Angriffspunkt in einem DPA-Angriff anzugreifen.
Wenn der Übergang in dem Wert vom L-Register 208 als ein Angriffspunkt vermutet wird, sollte R_fin nicht in L-Register 208 zur Zeit von und nach Takt_fin geschrieben werden. 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration von Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 zum Erreichen dieses Ergebnisses veranschaulicht. Wie in 11 gezeigt, enthält Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 zum Beispiel einen Operationsschaltkreis 1102 zum Durchführen von AND/OR/XOR-Operationen, auf einem Datenpfad 238 zum L-Register 208. Das Ergebnis einer Operation zwischen dem Wert auf Datenpfad 238 und einer Zufallszahl kann in L-Register 208 zur Zeit von und nach Takt_fin+1 geschrieben werden.
12 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel einer Konfiguration eines Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises 200 zum Erreichen dieses Ergebnisses veranschaulicht. Wie in 12 gezeigt, kann ein Selektor 1202 im Datenpfad 238 bereitgestellt sein, so dass eine Zufallszahl, RN, in L-Register 208 zur Zeit von und nach Takt_fin+1 geschrieben werden kann. Der mit diesen oben beschriebenen Gegenmaßnahmen bereitgestellte Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis kann den Angreifer davon abhalten, den Übergang in dem Wert vom L-Register 208 als ein Angriffspunkt zu verwenden.
Nun werden der Zeitpunkt und die Operation eines DPA-Angriffs in der Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration beschrieben werden, wie in 4 veranschaulicht.
Ähnlich der Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration ist in der Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration der Wert von L-Register 208 L_fin, und der Wert von R-Register 206 ist R_fin zur Zeit vom Taktsignal Takt_fin zum Ausgeben eines Operationsergebnisses. Zur Zeit des Tak_fin folgenden nächsten Taktsignals Takt_fin+1 können die Werte von L-Register 208 und R-Register 206, L_fin+1 bzw. R_fin+1 durch die folgenden Ausdrücke dargestellt werden: Lfin+1 = Lfin⊗F(Schlüsselfin, Rfin) Rfin+1 = Rfin
Zur Zeit von Takt_fin+1, mit Bezug auf den Übergang in dem Wert vom L-Register 208, kann der Übergang als L_fin⊗L_fin+1 = F (Schlüssel_fin, R_fin) geschrieben werden. Der Übergang F in dem Wert von dem L-Register 208F (Schlüssel_fin, R_fin) enthält Information in Beziehung zu der Schlüsselinformation und R_fin kann extern gemessen werden. Wenn ein DPA-Angriff in Bezug auf den Übergang in dem Wert vom L-Register 208 durchgeführt wird, kann deshalb die Schlüsselinformation, Schlüssel_fin, in dem Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis bestimmt werden.
Deshalb ist die Schaltkreiskonfiguration so angepasst, dass der Wert vom L-Register 208 keine Korrelation mit der Schlüsselinformation des Verschlüsselungsbetriebsschaltkreises zur Zeit von Takt_fin+1 hat. Solch eine Schaltkreisinformation kann z.B. implementiert sein durch Bereitstellen eines Logik-Operator-Schaltkreises 1202, so wie einem AND-, OR-, und XOR-Schaltkreis, auf Datenpfad 238 zum L-Register 208, wie in 11 gezeigt. Der Verschlüsselungsbetriebsschaltkreis 200 funktioniert ähnlich der Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration. Alternativ kann ein Schreiben des Ergebnisses einer Operation zwischen dem Wert vom Datenpfad 238 und einer Zufallszahl, RN, in L-Register 208, oder durch Umschalten zwischen dem Wert vom Datenpfad 238 und einer Zufallszahl RN, mit Verwenden eines Selektors 1102 zur Zeit von Takt_fin wie in 12 getätigt werden.
Wenn die Schaltkreiskonfiguration angepasst ist, so dass Schlüssel_fin und R_fin immer in Funktionsoperationseinheit 210 eingegeben werden zur Zeit von und nach Takt_fin, könnte die Schlüsselinformation basierend auf dem Übergang in dem Ausgabewert von Funktionsoperationseinheit 210 ähnlich der oben beschriebenen Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration spezifiziert werden. Deshalb, ähnlich der DPA-Gegenmaßnahme in Funktionsoperationseinheit 210 für die in 5-10 gezeigte Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration, kann diese verwendet werden, um die Gegenmaßnahme in der Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration zu implementieren.
Wenn keine Daten in das R-Register 206 und das L-Register 208 zur Zeit von Takt_fin+1 oder Takt_fin geschrieben werden, egal ob der Schaltkreis die Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration oder die Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration hat, und Schlüsselinformation Schlüssel_fin immer in Funktionsoperationseinheit 210 zur Zeit von und nach Takt_fin+1 oder Takt_fin eingegeben wird, ergibt sich der Ausgabewert F (Schlüssel_fin, R_fin von Funktionsoperationseinheit 210. Deshalb, ähnlich der oben beschriebenen Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration, könnte der Übergang in dem Ausgabewert von Funktionsoperationseinheit 210 für einen DPA-Angriff verwundbar sein. Deshalb können die DPA-Gegenmaßnahmen in Funktionsoperationseinheit 210 für die in 5-10 gezeigte Kreuztyp-Schaltkreiskonfiguration verwendet werden zum Implementieren der Gegenmaßnahme in der Direkttyp-Schaltkreiskonfiguration.
Zusätzliche Vorteile und Modifizierungen werden ohne weiteres dem Fachmann ersichtlich werden. Deshalb ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf spezifische Details und hier gezeigte und beschriebene darstellende Ausführungsformen beschränkt. Dementsprechend können verschiedene Modifizierungen getätigt werden, ohne den Bereich des allgemeinen erfinderischen Konzeptes zu verlassen, wie durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert.

Claims

Verschlüsselungsvorrichtung mit: einer Verschlüsselungsbetriebseinheit (200), die konfiguriert ist, mit einem Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ bereitgestellt zu sein, die zum Verschlüsseln von Daten konfiguriert ist, und die zum Ausgeben von verschlüsselten Daten konfiguriert ist; und einer Änderungseinheit (502, 602, 702, 802, 902, 1002, 1102, 1202), die zum Ändern der verschlüsselten Daten konfiguriert ist, wobei die Änderungseinheit mit dem Ändern der verschlüsselten Daten nach dem Ausgeben der verschlüsselten Daten beginnt; dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungseinheit zum Ändern der verschlüsselten Daten in Daten ohne Beziehung konfiguriert ist, und dass die Verschlüsselungsbetriebseinheit mit einer nicht-linearen Transformierungsfunktion konfiguriert ist, die eingerichtet ist zum Empfangen einer Zufallszahl, einer geänderten Schlüsselinformation oder eines geänderten ersten Datenblocks, um Daten ohne Beziehung zu erzeugen.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die konfiguriert ist zum Erzeugen der Daten ohne Beziehung durch Ändern einer Schlüsselinformation, die der nicht-linearen Transformierungsfunktion in der Verschlüsselungsbetriebseinheit bereitgestellt ist.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die konfiguriert ist zum Erzeugen der Daten ohne Beziehung durch Ändern eines ersten Datenblocks, der auf die nicht-lineare Transformierungsfunktion in der Verschlüsselungsbetriebseinheit angewendet werden soll.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verschlüsselungsbetriebseinheit ferner umfasst: einen Schaltkreis einer nicht-linearen Transformation (210), der konfiguriert ist zum nicht-linearen Transformieren eines eingegebenen ersten Datenblocks basierend auf Eingabeschlüsselinformation, und der konfiguriert ist zum Ausgeben des nicht-linear transformierten Ergebniswertes, einen Logikbetriebsschaltkreis, der konfiguriert ist zum logischen Wirken auf den nicht-linear transformierten Ergebniswert und einen eingegebenen zweiten Datenblock, und der konfiguriert ist zum Ausgeben des logisch beeinflussten Ergebniswertes, und ein Ersetzungsmodul, das konfiguriert ist zum Ersetzen des zweiten Datenblockes mit dem ersten Datenblock und des ersten Datenblocks mit dem logisch beeinflussten Ergebniswert.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, in welcher die Änderungseinheit ferner ein Änderungsmodul umfasst, das konfiguriert ist zum Ändern der ersten Datenblockeingabe in den Schaltkreis einer nicht-linearen Transformation in einen Wert ohne Beziehung zu dem ersten Datenblock.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, in welcher die Änderungseinheit ferner ein Änderungsmodul umfasst, das konfiguriert ist zum Ändern der Schlüsselinformationseingabe in den Schaltkreis einer nicht-linearen Transformation in einen Wert ohne Beziehung zu der Schlüsselinformation.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher die Verschlüsselungsbetriebseinheit ferner ein Register (206, 208) zum Speichern eines Datenblockes und einer nicht-linearen Transformierungsfunktion umfasst, und die Änderungseinheit konfiguriert ist zum Ändern des Datenblockes, der auf die nicht-lineare Transformierungsfunktion angewendet werden soll, in einen Wert ohne Beziehung zu dem Datenblock, um das Register mit Information ohne Beziehung zu einem Verschlüsselungsprozess zu beliefern.
Verschlüsselungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher die Verschlüsselungsbetriebseinheit ferner ein Register (206, 208) zum Speichern eines Datenblockes und einer nicht-linearen Transformierungsfunktion enthält, und die Änderungseinheit konfiguriert ist zum Ändern einer Schlüsselinformation, die auf die nicht-lineare Transformierungsfunktion angewendet werden soll, in einen Wert ohne Beziehung zu der Schlüsselinformation, um das Register mit Information ohne Beziehung zu einem Verschlüsselungsprozess zu beliefern.
Verschlüsselungsverfahren zum Verschlüsseln von Daten in einer einen Verschlüsselungsalgorithmus vom Feistel-Typ nutzenden Verschlüsselungsvorrichtung, mit: Empfangen (202) von zu verschlüsselnden Daten; Durchführen (200) eines Verschlüsselungsbetriebes bzw. einer Verschlüsselungsoperation auf den empfangenen Daten, um verschlüsselte Daten zu produzieren; Ausgeben (220) der verschlüsselten Daten; und Ändern (502, 602, 702, 802, 902, 1002, 1102, 1202) der verschlüsselten Daten nach Ausgeben der verschlüsselten Daten; dadurch gekennzeichnet, dass die verschlüsselten Daten in Daten ohne Beziehung geändert werden; und durch Durchführen (210) einer nicht-linearen Transformierungsoperation auf den verschlüsselten Daten; wobei die Daten ohne Beziehung durch Anwenden einer Zufallszahl, einer geänderten Schlüsselinformation oder eines geänderten ersten Datenblocks auf die nicht-lineare Transformierungsoperation erzeugt werden.
Trägermedium, das Computer-lesbare Instruktionen trägt zum Steuern eines Computers, das Verfahren von Anspruch 9 auszuführen.