EP1044534A1 - Verschlüsselungsverfahren zum ausführen von kryptographischen operationen - Google Patents

Verschlüsselungsverfahren zum ausführen von kryptographischen operationen

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EP1044534A1
EP1044534A1 EP99948821A EP99948821A EP1044534A1 EP 1044534 A1 EP1044534 A1 EP 1044534A1 EP 99948821 A EP99948821 A EP 99948821A EP 99948821 A EP99948821 A EP 99948821A EP 1044534 A1 EP1044534 A1 EP 1044534A1
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EP
European Patent Office
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memory cell
bit word
data
written
random numbers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99948821A
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English (en)
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Inventor
Stefan Philipp
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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Application filed by Philips Intellectual Property and Standards GmbH, Philips Corporate Intellectual Property GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Intellectual Property and Standards GmbH
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/002—Countermeasures against attacks on cryptographic mechanisms
    • H04L9/003—Countermeasures against attacks on cryptographic mechanisms for power analysis, e.g. differential power analysis [DPA] or simple power analysis [SPA]
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    • G06F2207/72—Indexing scheme relating to groups G06F7/72 - G06F7/729
    • G06F2207/7219—Countermeasures against side channel or fault attacks
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    • H04L2209/00—Additional information or applications relating to cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communication H04L9/00
    • H04L2209/08—Randomization, e.g. dummy operations or using noise

Definitions

  • the invention relates to an encryption method, wherein at least one partial cryptographic operation is carried out digitally as data stored as at least one data bit word in a memory cell or a register, according to the preamble of claim 1.
  • cryptographic operations serve to protect the operation of these devices or to protect data carried in the device.
  • the calculation operations required for this are carried out both by standard arithmetic units and by dedicated crypto arithmetic units.
  • a typical example of the latter are chip cards or IC cards.
  • the data or intermediate results used in this context are usually security-relevant information, such as cryptographic keys or operands.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • This type of cryptanalysis is also referred to as "differential power analysis", by means of which an outsider can successfully carry out a possibly unauthorized cryptanalysis of the cryptographic operations, algorithms, operands or data by simply observing changes in the power consumption of the data processing device.
  • a memory card with microcircuit and at least one memory known from EP 0 482 975 B1 which is connected to a data processing element, the data processing element being controlled by a data signal from outside the card and emitting an end-of-command signal in response to this data signal, which is delayed by a predetermined duration (T) with respect to the reception of the data signal, the duration (T) is chosen to be variable in time to increase the protection.
  • T duration
  • Data bit word in a memory cell in which a data bit word is stored which is generated based on random numbers.
  • the current consumption changes only as a function of a difference in the Hamming weight of the written data from the unknown random number, so that this difference and thus the change in current consumption are random and cannot be predetermined.
  • bit word based on random numbers is written into the memory cell by an arithmetic unit.
  • bit word based on random numbers is written into the latter via a direct connection between a random number source and the memory cell.
  • a temporal correlation between the writing of the random number into a memory cell and the cryptographic partial operation is avoided in that the bit word based on random numbers is stored in the memory cell at a time interval before the cryptographic partial operation.
  • a memory cell 10 or a register for writing or storing data Xj in the form of a data bit word is provided via a connection 11.
  • 12 random numbers are generated by a random number source and written into the memory cell 10 via a direct connection 14 or stored therein.
  • the memory cell 10 is assigned a random value r; initialized.
  • the random value T ⁇ can also be written via the connection 11 by an arithmetic logic unit which has previously received the random value from the random number source 12.
  • the time of this pre-initialization can be selected as desired and is preferably not carried out immediately before the cryptographic operation.
  • the memory area or register is expediently pre-initialized with changing random numbers. If the memory areas or registers thus pre-initialized are loaded with data x, in the course of a cryptographic operation, the current consumption changes only as a function of a difference in the Hamming weight of the operand x, and the Hamming weight of the unknown random number. Based on this random difference value, it is now not possible to derive information about the operands or intermediate results used.

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Abstract

Um ein Verschlüsselungsverfahren, bei dem eine kryptographische Teiloperation von digital als wenigstens ein Datenbitwort in einer Speicherzelle (10) bzw. einem Register gespeicherten Daten ausgeführt wird, zur Verfügung zu stellen, welches eine erfolgreiche Kryptoanalyse mittels Beobachtung eines Stromverbrauches eines Datenverarbeitungsgerätes wirksam verhindert, wird vorgeschlagen, dass vor dem Schreiben eines Datenbitwortes in eine Speicherzelle (10) in dieser ein Datenbitwort gespeichert wird, welches auf Zufallszahlen basierend erzeugt wird.

Description

Verschlüsselungsverfahren zum Ausführen von kryptographischen Operationen.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verschlüsselungsverfahren, wobei wenigstens eine kryptographische Teiloperation von digital als wenigstens ein Datenbitwort in einer Speicherzelle bzw. einem Register gespeicherten Daten ausgeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
In vielen Datenverarbeitungsgeräten dienen kryptographische Operationen zum Schutz des Betriebes dieser Geräte bzw. zum Schutz von in dem Gerät transportierte Daten. Die hierfür notwendigen Berechnungsoperationen werden dabei sowohl von Standard- Rechenwerken als auch von dedizierten Crypto-Rechenwerken durchgeführt. Ein typisches Beispiel für letzteres sind Chipkarten bzw. IC -Karten. Bei derartigen kryptographischen Berechnungen ist es oftmals notwendig, entsprechende Speicherbereiche bzw. Register des Datenverarbeitungsgerätes mit Operanden zu initialisieren. Bei den in diesem Zusammenhang verwendeten Daten bzw. Zwischenergebnissen handelt es sich üblicherweise um sicherheitsrelevante Informationen, wie beispielsweise kryptographische Schlüssel oder Operanden.
Zur Berechnung der kryptographischen Algorithmen werden in den Datenverarbeitungsgeräten logische Verknüpfungen zwischen Operanden bzw. Zwischenergebnissen durchgeführt. In Abhängigkeit von der verwendeten Technologie führen diese Operationen, insbesondere das Laden von leeren oder zuvor gelöschten Speicherbereichen bzw. Register mit Daten, zu einem erhöhten Stromverbrauch der Datenverarbeitungsgeräte. Bei komplementärer Logik, wie beispielsweise der CMOS- Technik, tritt ein erhöhter Stromverbrauch dann auf, wenn der Wert einer Bit-Speicherzelle geändert wird, d.h. sein Wert sich von "0" auf "1" bzw. von "1" auf "0" ändert. Der erhöhte
Verbrauch hängt dabei von der Anzahl der im Speicher bzw. Register geänderten Bitstellen ab. Mit anderen Worten lässt das Laden eines zuvor gelöschten Registers einen Stromverbrauch proportional zum Hamminggewicht des in das leere Register geschriebenen Operanden (=Anzahl der Bits mit dem Wert "1") ansteigen. Durch eine entsprechende Analyse dieser Stromänderung könnte es möglich sein, Informationen über die berechneten Operationen zu extrahieren, so dass eine erfolgreiche Kryptoanalyse von geheimen Operanden, wie beispielsweise kryptographischen Schlüsseln, möglich ist. Mittels Durchführung mehrerer Strommessungen am Datenverarbeitungsgerät könnten beispielsweise bei sehr kleinen Signaländerungen eine hinreichende Extraktion der Informationen ermöglicht werden. Andererseits könnten mehrere Strommessungen eine ggf. erforderliche Differenzbildung_ ermöglichen. Diese Art der Kryptoanalyse wird auch als "Differential Power Analysis" bezeichnet, mittels derer ein Außenstehender durch reine Beobachtung von Änderungen des Stromverbrauches des Datenverarbeitungsgerätes eine ggf. unberechtigte Kryptoanalyse der kryptographischen Operationen, Algorithmen, Operanden bzw. Daten erfolgreich ausführen kann.
Bei einer aus der EP 0 482 975 Bl bekannten Speicherkarte mit Mikroschaltung und wenigstens einem Speicher, die an einem Datenverarbeitungsorgan angeschlossen ist, wobei das Datenverarbeitungsorgan von einem Datensignal von außerhalb der Karte gesteuert wird und als Antwort auf dieses Datensignal zu einem Zeitpunkt ein Befehlsendesignal abgibt, welches um eine vorbestimmte Dauer (T) bzgl. des Empfangs des Datensignals verzögert ist, wird zum Erhöhen des Schutzes die Zeitdauer (T) auf Zufallsbasis zeitlich variabel gewählt. Eine Kryptoanalyse auf der Basis einer Stromänderung beim Beschreiben des Speichers kann dieses System jedoch nicht verhindern.
Darstellung der Erfindung. Aufgabe. Lösung, Vorteile
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die obengenannten Nachteile beseitigen und eine erfolgreiche Kryptoanalyse mittels Beobachtung eines Stromverbrauches eines Datenverarbeitungsgerätes wirksam verhindert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem Schreiben eines
Datenbitwortes in eine Speicherzelle in dieser ein Datenbitwort gespeichert wird, welches auf Zufallszahlen basierend erzeugt wird.
Dies hat den Vorteil, dass eine nicht vorbestimmte oder vorbestimmbare Vorinitialisierung vorliegt, welche aus Änderungen des Stromverbrauches beim Schreiben in die Speicherzelle keinen Rückschluß auf das in die Speicherzelle geschriebene Datenbitwort zulässt. Beim Einschreiben von Daten in derartig vorinitialisierte Speicherzellen ändert sich der Stromverbrauch lediglich abhängig von einer Differenz des Hamminggewichtes der eingeschriebenen Daten von der unbekannten Zufallszahl, so daß auch diese Differenz und damit die Änderung des Stromverbrauches zufällig und nicht vorherbestimmbar ist.
Bei der Umsetzung des Verfahrens bestehen verschiedene MöglichkeitenJSϊach einer bevorzugten Vorgehensweise wird das auf Zufallszahlen basierende Bitwort von einem Rechenwerk in die Speicherzelle geschrieben. Alternativ wird das auf Zufallszahlen basierende Bitwort über eine direkte Verbindung zwischen einer Zufallszahlenquelle und der Speicherzelle in letztere geschrieben.
Eine zeitliche Korrelation zwischen dem Einschreiben der Zufallszahl in eine Speicherzelle und der kryptographische Teiloperation wird dadurch vermieden, dass das auf Zufallszahlen basierende Bitwort zeitlich beabstandet vor der kryptographische Teiloperation in der Speicherzelle gespeichert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. ein Ablaufschema einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Wie in der einzigen Fig. veranschaulicht, ist eine Speicherzelle 10 bzw. ein Register zum Einschreiben bzw. Abspeichern von Daten Xj in Form eines Datenbitwortes über eine Verbindung 11 vorgesehen. Bevor jedoch der Operand Xj in die Speicherzelle 10 eingeschrieben wird, werden von einer Zufallszahlenquelle 12 Zufallszahlen erzeugt und über eine direkte Verbindung 14 in die Speicherzelle 10 eingeschrieben bzw. in dieser abgespeichert. Mit anderen Worten wird die Speicherzelle 10 mit einem Zufallswert r; initialisiert. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform kann das Einschreiben des Zufallswertes T\ auch über die Verbindung 11 von einem Rechenwerk erfolgen, welches zuvor den Zufallswert von der Zufallszahlenquelle 12 erhalten hat.
Der Zeitpunkt dieser Vorinitialisierung ist beliebig wählbar und erfolgt bevorzugt nicht unmittelbar vor der kryptographischen Operation. Zweckmäßigerweise erfolgt eine wiederholte Vorinitialisierung der Speicherbereich bzw. Register mit sich ändernden Zufallszahlen. Werden die so vorinitialisierten Speicherbereiche bzw. Register im Zuge einer kryptographischen Operation mit Daten x, geladen, ändert sich der Stromverbrauch nun lediglich abhängig von einer Differenz des Hamminggewichtes des Operanden x, und des Hamminggewichtes der unbekannten Zufallszahl. Ausgehend von diesem zufälligen Differenzwert ist es nun nicht möglich, Angaben über die verwendeten Operanden bzw. Zwischenergebnisse abzuleiten.
BEZUGSZEICHENLISTE:
10 Speicherzelle / Register
11 Verbindung
12 Zufallszahlenquelle
Verbindung
Xi Daten
Ti Zufallswert

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verschlüsselungsverfahren, wobei wenigstens eine kryptographische Teiloperation von digital als wenigstens ein Datenbitwort in einer Speicherzelle (10 )bzw. einem Register gespeicherten Daten ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schreiben eines Datenbitwortes in eine Speicherzelle (10) in dieser ein
Datenbitwort gespeichert wird, welches auf Zufallszahlen basierend erzeugt wird.
2. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das auf Zufallszahlen basierende Bitwort von einem Rechenwerk in die
Speicherzelle (10) geschrieben wird.
3. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Zufallszahlen basierende Bitwort über eine direkte Verbindung zwischen einer Zufallszahlenquelle (12) und der Speicherzelle (10) in letztere geschrieben wird.
4. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Zufallszahlen basierende Bitwort zeitlich beabstandet vor der kryptographische Teiloperation in der Speicherzelle (10) gespeichert wird.
EP99948821A 1998-09-30 1999-09-20 Verschlüsselungsverfahren zum ausführen von kryptographischen operationen Withdrawn EP1044534A1 (de)

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DE19845096 1998-09-30
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DE19936890 1999-08-05
PCT/EP1999/007019 WO2000019657A1 (de) 1998-09-30 1999-09-20 Verschlüsselungsverfahren zum ausführen von kryptographischen operationen

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