近幾年來，針對密碼算法的DPA攻擊得到越來越多的關注。通過對設備的功耗進行分析發(fā)現(xiàn)，密碼設備在執(zhí)行相同指令的情況下，功耗與參與運算的密鑰有一定的關系。攻擊者利用這種關系對采集到的能量跡進行DPA攻擊，可以分析出密鑰[1-3]。

    為了防御DPA攻擊，一種有效的技術是對參與運算的數(shù)據(jù)進行隨機掩碼，也稱為信息盲化[4]。加了掩碼的數(shù)據(jù)在進行密碼運算時，包含密鑰信息的中間數(shù)據(jù)被掩碼保護起來，因此能夠抵抗一階DPA攻擊。然而這種防御技術仍然可以用高階DPA進行攻擊。相對一階DPA攻擊來說，高階DPA需要攻擊者了解更多的算法實現(xiàn)細節(jié)，并且需要選擇恰當?shù)墓裟Ｐ?，所以攻擊過程也比一階DPA復雜得多。
1 能量泄露模型和DPA攻擊原理
1.1 能量泄露模型
    設備的功耗可以通過在設備的GND管腳和地之間插入一個電阻，然后用示波器測量電阻兩端的電壓變化來獲得。為了建立能量泄露模型，用P[t]表示設備在特定t時刻的功耗。P[t]可以分成兩部分，第一部分是與運算相關的功耗d[t]，第二部分是所有與運算無關的功耗n，包括常量部分以及各種噪聲。因此P[t]可以表示為[5]：
 

    從表1可以看出，在泄露漢明重量的情況下，使用絕對差組合函數(shù)能達到更好的效果。

2 掩碼技術和高階DPA攻擊
2.1 掩碼技術原理
    掩碼技術的核心思想是使密碼設備的功耗不依賴于設備所執(zhí)行的密碼算法的中間值。掩碼技術通過隨機化密碼設備所處理的中間值來實現(xiàn)這個目標。掩碼方案可以用下式來表示：
    

2.3 變形掩碼方案的高階DPA攻擊
    在上述掩碼方案中，整個加密過程每個中間值都帶著掩碼，因此可以抵抗一階DPA攻擊。掩碼方案為了保證每輪運算的結構相同，在輪運算結束時通過非線性的SBOX變換將掩碼重新設置為每輪開始的的掩碼值X132-63。

    在同時攻擊12 bit子密鑰時，密鑰組合為212個，即需要攻擊4 096個假設密鑰。
3 高階DPA攻擊實驗驗證
    基于以上分析，對FPGA上實現(xiàn)的帶變形掩碼方案的DES算法進行了攻擊實驗。首先在DES運算過程中采集2 000條能量跡，在該能量跡上可以清晰地識別出每輪DES運算過程，如圖4所示。

    為了抵抗DPA攻擊，掩碼技術越來越多地被采用。但掩碼方案可能受到高階DPA的攻擊，因此在設計掩碼方案時，需要充分考慮抵抗高階DPA攻擊的措施。本文首先介紹了能量泄露模型以及一階和高階DPA的攻擊原理。然后結合變形掩碼方案，從理論上證明可以采用二階DPA實施攻擊，并且論述了組合函數(shù)的選擇以及在攻擊中提高信噪比的方法。本文最后在FPGA上對掩碼方案的硬件實現(xiàn)進行了攻擊實驗，并成功獲得密鑰。
參考文獻
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