JP5288283B2 - サイドチャネル攻撃耐性評価装置とサイドチャネル攻撃耐性評価方法、及びサイドチャネル攻撃耐性評価用プログラム - Google Patents

サイドチャネル攻撃耐性評価装置とサイドチャネル攻撃耐性評価方法、及びサイドチャネル攻撃耐性評価用プログラム Download PDF

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Description

本発明は、サイドチャネル攻撃耐性評価装置とサイドチャネル攻撃耐性評価方法、及びサイドチャネル攻撃耐性評価用プログラムに関し、特に暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析への耐性評価において、高精度な評価を実現するサイドチャネル攻撃耐性評価装置とサイドチャネル攻撃耐性評価方法、及びサイドチャネル攻撃耐性評価用プログラムに関する。
暗号処理機能を搭載した暗号装置に対する攻撃手法として，処理実行時に発生する消費電力、電磁波、処理時間などのサイドチャネル情報を利用して秘密鍵を推定するサイドチャネル攻撃が知られている。その中で特に強力な攻撃手法として、複数のサイドチャネル情報に対する統計処理によりノイズ等の影響を抑えて秘密情報を推定する差分サイドチャネル解析(Differential Side-Channel Analysis：以下、ＤＳＣＡ と呼ぶ)がある。ＤＳＣＡには攻撃に用いるサイドチャネル情報の種類によっていくつかの手法があり、消費電力を用いる場合は電力差分解析(Differential Power Analysis：以下、ＤＰＡと呼ぶ)（非特許文献１参照）、電磁波を用いる場合は電磁波差分解析(Differential Electro-Magnetic Analysis：以下、ＤＥＭＡと呼ぶ)（非特許文献２参照）と呼ばれる。
ＤＳＣＡでは、サイドチャネル情報の測定時において生じる波形の位置ズレやノイズがその攻撃の精度に大きな影響を与える。そこで、ＤＳＣＡに対する暗号装置の耐タンパー性評価を正しく実施するには、位置ズレやノイズのないサイドチャネル情報を用いて実施することが望ましい。
位置ズレやノイズの影響を軽減する手法としては、周波数差分解析（Differential Frequency Analysis：以下、ＤＦＡと呼ぶ）（非特許文献４参照）や位相限定相関法（非特許文献３参照）がある。
ＤＦＡは、時間領域にて測定されたサイドチャネル情報に対して離散フーリエ変換（Discrete Fourier Transform:以下、ＤＦＴと呼ぶ）により周波数領域に変換することで周波数成分毎の強度（パワースペクトル）を求め、そのパワースペクトルに対してＤＳＣＡを実施する手法であり、測定時の時間上のズレに対して効果がある。
位相限定相関法は、測定後のサイドチャネル情報に対してＤＦＴにより得られる位相成分から、測定機器におけるサンプリング分解能を超える精度で測定時の位置ズレを推定し補正する位相手法である。ＤＦＡと同様に測定時の時間上のズレに対して効果があると共に、ローパスフィルタやバンドパスフィルタ（Band-Pass Filter：以下、ＢＰＦと呼ぶ）を併用することでノイズの除去にも対応可能である。
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暗号装置のＤＳＣＡに対する耐タンパー性評価においては、測定時の位置ズレやノイズの影響の無いサイドチャネル情報に対して実施することが望ましい。しかし、上記ＤＦＡは測定時の位置ズレに対しては効果があるもののノイズについて考慮されていない。また、位相限定相関法では、測定時の位置ズレを主な対象としており、ノイズについてはＢＰＦの併用による対策が提案されているものの最適な通過帯域の設定については明示されておらず、ノイズ除去を効果的に実施することは困難であった。
そこで、本発明の典型的(exemplary)な目的は、上記ノイズ除去を目的としたＢＰＦのＤＳＣＡへの適用において、ＤＳＣＡに適した通過帯域を決定し、攻撃に不要なノイズを除去することで高精度な耐タンパー性評価を可能とする装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係わる典型的(exemplary)なサイドチャネル攻撃耐性評価装置は、暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析に対して耐性評価を行う装置において、
前記暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を測定する測定部と、
前記測定部にて測定したサイドチャネル情報からバンドパスフィルタを用いてノイズ除去を実施するノイズ除去部と、
前記測定部にて測定したサイドチャネル情報を用いて、前記ノイズ除去部における前記バンドパスフィルタの通過帯域を決定する通過帯域決定部と、
前記ノイズ除去部にてノイズを除去したサイドチャネル情報に対して差分サイドチャネル解析を実施し耐性を評価する評価部と、
を備えることを特徴とする。
また、本発明に係わる典型的(exemplary)なサイドチャネル攻撃耐性評価方法は、暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析に対して耐性評価を行う装置のサイドチャネル攻撃耐性評価方法において、
前記暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を測定し、
測定したサイドチャネル情報を用いて、バンドパスフィルタの通過帯域を決定し、
通過帯域が決定された前記バンドパスフィルタを用いて、測定したサイドチャネル情報からノイズ除去を実施し、
前記ノイズを除去したサイドチャネル情報に対して差分サイドチャネル解析を実施し耐性を評価すること、
を備えることを特徴とする。
また、本発明に係わる典型的(exemplary)なサイドチャネル攻撃耐性評価用プログラムは、暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析に対して耐性評価を行う装置としてのコンピュータに、
測定された、前記暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いて、バンドパスフィルタの通過帯域を決定する処理と、
通過帯域が決定された前記バンドパスフィルタを用いて、測定したサイドチャネル情報からノイズ除去を実施する処理と、
前記ノイズを除去したサイドチャネル情報に対して差分サイドチャネル解析を実施し耐性を評価する処理と、
を実行させるための、サイドチャネル攻撃耐性評価用プログラムである。
本発明によれば、ＤＳＣＡに最適なノイズ除去を実現でき、高精度なサイドチャネル攻撃耐性評価が可能となる。
本発明を適用可能な典型的(exemplary)なサイドチャネル攻撃耐性評価装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係るサイドチャネル攻撃耐性評価装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るサイドチャネル攻撃耐性評価装置を示す図である。 本発明の各実施例に共通する暗号装置から漏洩する電磁波波形を示す図である。 本発明の各実施例に共通する漏洩電磁波のパワースペクトル波形を示す図である。 本発明の各実施例に共通するノイズ除去後の漏洩電磁波波形を示す図である。 本発明の実施例１の、各通過帯域によりノイズを除去した電磁波波形とノイズ除去を行っていない測定波形に対する、解析に成功したビット数と波形数の関係を示す図である。 本発明の実施例２の、ＤＦＡにおいて正しい秘密情報が推測された場合の差分波形を示す図である。 本発明の実施例２の、各通過帯域によりノイズを除去した電磁波波形とノイズ除去を行っていない測定波形に対する、解析に成功したビット数と波形数の関係を示す図である。 図１に示したサイドチャネル攻撃耐性評価装置の動作を示すフローチャートである。 図２に示した通過帯域決定部の動作を含めた、サイドチャネル攻撃耐性評価装置の動作を示すフローチャートである。 図３に示した通過帯域決定部の動作を含めた、サイドチャネル攻撃耐性評価装置の動作を示すフローチャートである。 本実施形態のサイドチャネル攻撃耐性評価装置の測定部を除く構成部を構成するコンピュータの一構成例を示すブロック図である。
符号の説明
１０ 暗号装置
２０ 測定部
３０ ノイズ除去部
４０ 通過帯域決定部
４１ ＤＦＴ処理部
４２ パワースペクトル解析部
４３ ＤＦＡ処理部
５０ ＤＳＣＡ評価部
次に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明を適用可能な典型的(exemplary)な一実施形態に係るサイドチャネル攻撃耐性評価装置の概略構成を表した図である。
図１を参照すると、サイドチャネル攻撃耐性評価装置は、評価対象の暗号装置１０のサイドチャネル情報を測定する測定部２０と、測定したサイドチャネル情報からＢＰＦによりノイズを除去するためのノイズ除去部３０と、ＢＰＦの通過帯域を決定するための通過帯域決定部４０と、ＤＳＣＡに対する耐性を評価するＤＳＣＡ評価部５０とを備えている。
暗号装置１０は、平文に対する暗号化や暗号文に対する復号化等の暗復号処理を行う装置である。暗号装置１０は、暗復号処理を実行する種々の情報処理装置が採用可能である。例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯端末、ＩＣカードがある。
測定部２０は、暗号装置１０が暗復号処理を実施する際に漏洩するサイドチャネル情報を測定する装置である。サイドチャネル情報は、暗号装置１０において内部の処理に影響を受ける種々の情報が採用可能である。サイドチャネル情報は、例えば、電力、電磁波、音、温度等である。例えば、電磁波をサイドチャネル情報として用いる場合は、サイドチャネル情報測定部２０は、オシロスコープやスペクトラムアナライザ等を採用可能である。
ノイズ除去部３０は、測定部２０にて測定したサイドチャネル情報に含まれるＤＳＣＡに不要なノイズをＢＰＦにより除去する。ＢＰＦの通過帯域は通過帯域決定部４０により決定される。
通過帯域決定部４０は、測定部２０にて測定したサイドチャネル情報からノイズ除去部３０にて使用されるＢＰＦの通過帯域を決定する。
ＤＳＣＡ評価部５０は、ノイズ除去部３０にてノイズ除去を行われたサイドチャネル情報に対してＤＳＣＡを実施し、秘密情報の導出の可否や秘密情報の導出に必要なサイドチャネル情報量について評価を行う。
続いて、図２を参照して、通過帯域決定部４０の一構成例について説明する。
図２に示すように、本構成例の通過帯域決定部４０は、測定部２０で測定したサイドチャネル情報に対して、ＤＦＴ処理部４１によりサイドチャネル情報のパワースペクトルを求め、パワースペクトル解析部４２によりパワースペクトルの形状から高い強度を持つ周波数成分を求める。求めた周波数成分はノイズ除去部３０におけるＢＰＦ処理時の通過帯域として設定される。
次に、図３を参照して、通過帯域決定部４０の他の構成例について説明する。
図３に示すように、本構成例の通過帯域決定部４０は、測定部２０で測定したサイドチャネル情報に対して、ＤＦＴ処理部４１によりサイドチャネル情報のパワースペクトルを求め、ＤＦＡ処理部４３によりパワースペクトルに対して周波数領域でのＤＦＡを実施する。ＤＦＡでは、正しい秘密情報を推測したとき、特定の周波数成分において高いピークを発生するため、このピークの発生した周波数成分をノイズ除去部３０におけるＢＰＦの通過帯域として決定する。
図１０は、図１に示したサイドチャネル攻撃耐性評価装置の動作を示すフローチャートである。図１１は図２に示した通過帯域決定部の動作を含めたフローチャート、図１２は図３に示した通過帯域決定部の動作を含めたフローチャートである。
図１０に示すように、まず、測定部２０は評価対象の暗号装置１０のサイドチャネル情報を測定する（ステップＳ１１）。その後、通過帯域決定部４０は、測定部２０にて測定したサイドチャネル情報からノイズ除去部３０にて使用されるＢＰＦの通過帯域を決定する（ステップＳ１２）。
通過帯域を決定する動作は、図１１に示すように、ＤＦＴ処理部４１によりサイドチャネル情報のパワースペクトルを求め（ステップＳ１２１）、パワースペクトル解析部４２によりパワースペクトルの形状から高い強度を持つ周波数成分を求め、求めた周波数成分をＢＰＦ処理時の通過帯域として決定すること（ステップＳ１２２）で行われる。
また通過帯域を決定する他の動作は、図１２に示すように、ＤＦＴ処理部４１によりサイドチャネル情報のパワースペクトルを求め（ステップＳ１２３）、ＤＦＡ処理部４３によりパワースペクトルに対して周波数領域でのＤＦＡを実施し、ＤＦＡで発生した、特定の周波数成分における高いピークの発生した周波数成分をＢＰＦの通過帯域として決定すること（ステップＳ１２４）で行われる。
次に、ノイズ除去部３０で、測定部２０にて測定したサイドチャネル情報に含まれるＤＳＣＡに不要なノイズをＢＰＦにより除去する（ステップＳ１３）。そして、ＤＳＣＡ評価部５０で、ノイズ除去部３０にてノイズ除去を行われたサイドチャネル情報に対してＤＳＣＡを実施し、秘密情報の導出の可否や秘密情報の導出に必要なサイドチャネル情報量について評価を行う（ステップ１４）。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
本実施例は、本発明の第１の実施形態において、暗号を実行可能な評価ボード（暗号装置１０）においてＤＥＳ暗号を実装し、オシロスコープ（測定部２０）を用いて、暗号処理中の評価ボードから漏洩する電磁波（サイドチャネル情報）を測定し、測定した電磁波を用いてＤＳＣＡへの耐性を評価する場合に関するものである。
まず、評価ボードにＤＥＳを実装し、複数の平文に対して暗号処理を実施し、それぞれの平文に対応する漏洩電磁波を測定する。図４は測定された漏洩電磁波を示す波形図である（図４）。続いて、測定した電磁波波形の任意の１波形に対してＤＦＴ処理を実施してパワースペクトルを求める。図５は漏洩電磁波のパワースペクトル波形を示す図である。
次に、求めたパワースペクトルから高い強度を持つ周波数帯域を選択する。ここでは、図５の波形図を用いて周波数帯域の選択方法として目視による選択を行い、２０〜２５MHz、５５〜６０ＭＨｚ、９５〜１００ＭＨｚ、１４０〜１４５ＭＨｚの4種類の周波数帯域を通過帯域として選択した。
次に、ノイズ除去部３０において、選択した通過帯域をＢＰＦの通過帯域として設定しノイズを除去する。２０〜２５ＭＨｚを通過帯域とした時のノイズ除去後の電磁波波形を図６に示す。
最後に、ＤＳＣＡ評価部５０でノイズ除去後の電磁波波形に対してＤＳＣＡを実施する。ここで、ＤＥＳへのＤＳＣＡ解析では、選択関数としてＤＥＳの最終の１６ラウンドにおけるＦ関数内のＳ−ＢＯＸ出力を用いる。Ｆ関数は８種類のＳ−ＢＯＸを有し，各Ｓ−ＢＯＸは６ビット入力４ビット出力の非線形テーブルを持っており、各Ｓ−ＢＯＸの出力４ビットについて１ビットずつ選択関数を定義し、計３２種類の選択関数に対して３２通りの解析を実施する。１つの選択関数においては、各Ｓ−ＢＯＸの入力である６ビットに対応する６４通りの秘密情報が推測される。
各通過帯域によりノイズを除去した電磁波波形とノイズ除去を行っていない測定波形に対する、解析に成功したビット数と波形数の関係を図７に示す。全ての通過帯域において、測定波形より高い解析精度を実現することはできていないが、２０〜２５ＭＨｚを通過帯域とした場合において、測定波形より少ない波形数で多くの解析に成功しており、高い解析精度を実現できている。
本実施例は、本発明の第２の実施形態において、実施例１と同様にＤＳＣＡへの耐性を評価する場合に関するものである。
実施例１との相違点は、測定した電磁波波形のすべてに対してパワースペクトルを算出する点と、通過帯域の設定部にＤＦＡを用いる点である。
通過帯域設定部において使用するＤＦＡでは、測定した全ての電磁波波形のパワースペクトルを利用する。そのため、ＤＦＴ処理部では、測定した全ての電磁波波形に対してＤＦＴによりパワースペクトルへの変換を行う。
次に、求めた複数のパワースペクトルに対して、実施例１のＤＳＣＡで使用した選択関数の内、任意の１種類の選択関数を用いてＤＦＡを実施する。ＤＦＡを実施した結果、正しい秘密情報が推測された場合において図８のような差分波形が得られる。
次に、この差分波形において高いピークを示している周波数帯域を選択する。ここで、周波数帯域の選択方法としては実施例１と同様に目視による選択を行い、２０〜２５MHzの周波数帯域を通過帯域として選択した。
以降のノイズ除去とＤＳＣＡによる評価手順は実施例１と同様である。設定した通過帯域によりノイズを除去した電磁波波形とノイズ除去を行っていない測定波形に対する、解析に成功したビット数と波形数の関係を図９に示す。ノイズ除去を実施することで、測定波形より高い解析精度が実現できている。
また以上説明した実施例は、専用ＩＣ等を用いたハードウェアで構成されてもよいが、測定部を除く各構成部はコンピュータを用いてソフトウエアを用いて実現されてもよい。
図１３は本実施形態のサイドチャネル攻撃耐性評価装置の測定部を除く構成部を構成するコンピュータの一構成例を示すブロック図である。
図１０〜図１２のフローチャートに示した動作を記述したプログラムをハードディスク装置等のディスク装置１０２やＲＯＭ等の記憶装置（ここではディスク装置を示している）に記憶し、また測定部からのサイドチャネル情報をディスク装置１０２、又はＤＲＡＭ等のメモリ１０５に記憶する。ＣＰＵ１０４によりサイドチャネル攻撃耐性評価装置の機能（ノイズ除去部、通過帯域決定部、ＤＳＣＡの機能）を実現するプログラムが実行される。ＬＣＤ等の表示装置１０１はＤＳＣＡ評価結果や情報処理状態を表示する。１０３はデータバス等のバス、１０５はＣＰＵ１０４の情報処理に必要な情報を記憶するＤＲＡＭ等のメモリである。測定部からのサイドチャネル情報はバス１０３を介してコンピュータに入力される。また、上記プログラムは、ＦＤ（フロッピィディスク）等のフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等のコンピュータ読み取り可能な情報記録媒体に記憶されたり、インターネット等のネットワークを通して提供される。そして、それらのプログラムがコンピュータに読み込まれて実行されることによってチャネル攻撃耐性評価装置が実現されてもよい。
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、本願の請求の範囲によって規定される、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の種々の形で実施することができる。そのため、前述した各実施形態は単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるべきではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書や要約書の記載には拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更はすべて本発明の範囲内のものである。
本願は、２００８年２月６日に出願された特願２００８−０２６３７４号に基づき、優先権の利益を主張するものである。そして、特願２００８−０２６３７４号のすべての内容を本願の明細書の内容に取り込んでいる。
本発明は、暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析への耐性評価を行う装置、耐性評価方法、及び耐性評価用プログラムに用いられる。

Claims (3)

  1. 暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析に対して耐性評価を行う装置において、
    前記暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を測定する測定部と、
    前記測定部にて測定したサイドチャネル情報からバンドパスフィルタを用いてノイズ除去を実施するノイズ除去部と、
    前記測定部にて測定したサイドチャネル情報のパワースペクトルに対して、差分サイドチャネル解析を実施し、その結果から得られた周波数成分を前記ノイズ除去部の前記バンドパスフィルタの通過帯域として決定する通過帯域決定部と、
    前記ノイズ除去部にてノイズを除去したサイドチャネル情報に対して差分サイドチャネル解析を実施し耐性を評価する評価部と、
    を備えることを特徴とするサイドチャネル攻撃耐性評価装置。
  2. 暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析に対して耐性評価を行う装置のサイドチャネル攻撃耐性評価方法において、
    前記暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を測定し、
    測定したサイドチャネル情報のパワースペクトルに対して、差分サイドチャネル解析を実施し、その結果から得られた周波数成分によってバンドパスフィルタの通過帯域を決定し、
    通過帯域が決定された前記バンドパスフィルタを用いて、測定したサイドチャネル情報からノイズ除去を実施し、
    前記ノイズを除去したサイドチャネル情報に対して差分サイドチャネル解析を実施し耐性を評価すること、
    を備えることを特徴とするサイドチャネル攻撃耐性評価方法。
  3. 暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報を用いた差分サイドチャネル解析に対して耐性評価を行う装置としてのコンピュータに、
    測定された、前記暗号装置から漏洩するサイドチャネル情報のパワースペクトルに対して、差分サイドチャネル解析を実施し、その結果から得られた周波数成分によってバンドパスフィルタの通過帯域を決定する処理と、
    通過帯域が決定された前記バンドパスフィルタを用いて、測定したサイドチャネル情報からノイズ除去を実施する処理と、
    前記ノイズを除去したサイドチャネル情報に対して差分サイドチャネル解析を実施し耐性を評価する処理と、
    を実行させるための、サイドチャネル攻撃耐性評価用プログラム。
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