專利名稱：防對(duì)稱密碼算法受攻擊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息安全領(lǐng)域，特別是涉及一種防對(duì)稱密碼算法受攻擊的方法。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性受到越來越多的關(guān)注，在早期人們還主要關(guān)注協(xié)議和算法的安全性，但自從旁路攻擊(SideCharmel Attacks)被提出以后，人們?cè)絹碓蕉嗟拈_始關(guān)注芯片的實(shí)現(xiàn)，以及針對(duì)芯片所面臨的攻擊所采取的抗攻擊措施。旁路攻擊(Side Channel Attacks)主要是基于物理特征的分析技術(shù)，包括功耗分析，電磁分析，錯(cuò)誤分析，時(shí)間分析等等。功耗分析是指通過分析密碼運(yùn)算過程中呈現(xiàn)的電流/電壓變化得出功耗的變化，進(jìn)而將功耗與密鑰信息聯(lián)系起來，最終獲取密鑰信息。功耗分析技術(shù)又分為簡(jiǎn)單功耗分析(SPA)和差分功耗分析(DPA)。SPA是指根據(jù)功耗曲線上所呈現(xiàn)的特殊特征來推測(cè)密鑰信息，DPA利用的是操作數(shù)的變化所引起的微小的功耗變化，需要通過對(duì)大量功耗曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終得出密鑰信息。電磁分析與功耗分析類似，只是獲取曲線的方式有別。錯(cuò)誤分析是利用錯(cuò)誤結(jié)果進(jìn)行分析得出密鑰信息的分析技術(shù)。時(shí)間分析是指有的算法運(yùn)行時(shí)間會(huì)因密鑰的不同而不同，因而可以通過運(yùn)行時(shí)間來推測(cè)密鑰。在硬件防御功耗分析措施方面，通常包括引入噪聲的方式降低測(cè)量精度和在算法級(jí)提供保護(hù)。引入噪聲的方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但是效果并不理想，可以通過增加樣本數(shù)來克服。一個(gè)典型的算法級(jí)技術(shù)是盲化方法(masking)，但是要完全實(shí)現(xiàn)隨機(jī)盲化在時(shí)間和硬件方面的開銷都很難被目前的應(yīng)用所接受，而固定盲化方法的安全性又很難保證；另外一個(gè)技術(shù)是電路一級(jí)的雙軌邏輯，其面積和時(shí)延方面的開銷都很大，并且其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度比較大。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)中的現(xiàn)狀，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種防對(duì)稱密碼算法受攻擊的方法，它相對(duì)安全而又易于實(shí)現(xiàn)的，無統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)，并且最終能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)稱密碼算法加解密。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的通過平衡漢明重量防對(duì)稱密碼算法受攻擊的方法，包括如下步驟步驟一、實(shí)現(xiàn)兩套獨(dú)立的運(yùn)算邏輯，其中第一套邏輯完全以密碼協(xié)議(比如FIPS PUB 46-3)規(guī)定的方式實(shí)現(xiàn)，第二套邏輯除了非線性運(yùn)算部分(通常被稱為SB0X)需要特殊構(gòu)造之外，其余線性運(yùn)算部分完全按協(xié)議實(shí)現(xiàn)；步驟二、明文以兩種不同的方式分別存儲(chǔ)在兩個(gè)寄存器中，兩個(gè)寄存器中總的漢明重量為一特定值，并且兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過兩套獨(dú)立的運(yùn)算邏輯進(jìn)行運(yùn)算；步驟三、在兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，以保證它們總的漢明重量為一不變的特定值；步驟四、利用兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)所具有的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)做同步，以避免因數(shù)據(jù)太快或太慢而呈現(xiàn)出特殊的功耗特征；步驟五、利用兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)所具有的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系， 包括在每一輪運(yùn)算后存儲(chǔ)在寄存器中的數(shù)據(jù)所具有的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如果密碼設(shè)備受到攻擊，破壞了這種數(shù)學(xué)關(guān)系，則可以通過檢測(cè)兩個(gè)寄存器之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來檢測(cè)密碼設(shè)備是否因受到攻擊而出錯(cuò)。為了讓兩套邏輯中運(yùn)算的數(shù)據(jù)保持一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，在有的對(duì)稱密碼算法(比如 DES)中需要增加一些特殊的邏輯(比如取反邏輯)。步驟一中所述的特殊構(gòu)造是指第二套邏輯的非線性運(yùn)算部分的輸入與輸出和第一套邏輯的非線性運(yùn)算部分的輸入與輸出分別相反。步驟三所述的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系是指兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都具有相反的數(shù)學(xué)關(guān)系。本發(fā)明通過平衡漢明重量的方式在一定程度上消除操作數(shù)據(jù)與功耗的關(guān)系并實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)，與傳統(tǒng)的防DPA攻擊的盲化方法和雙軌邏輯相比，具有速度快，電路的面積小，不需要開發(fā)新的邏輯門，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)沒有特別的要求，在防DPA攻擊的同時(shí)，還能夠防DFA攻
擊ο本發(fā)明的方法相對(duì)安全而又易于實(shí)現(xiàn)，無統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)，并且最終能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)稱密碼算法加解密。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的DES輪變換；圖2是圖1中A，B兩點(diǎn)的同步邏輯。具體實(shí)現(xiàn)方式下面以DES (數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)data encryption standard)的加密過程為例來介紹本發(fā)明。1、實(shí)現(xiàn)兩套獨(dú)立的運(yùn)算邏輯，其中第一套邏輯完全以協(xié)議規(guī)定的方式實(shí)現(xiàn)，第二套邏輯的SBOX部分通過專門構(gòu)造使得其輸入與輸出和第一套邏輯的SBOX的輸入與輸出分別相反，而其余的線性運(yùn)算部分和第一套邏輯完全一致，如圖1所示。2、由于DES的運(yùn)算過程中有左右兩邊異或的運(yùn)算，這將消除兩套邏輯中數(shù)據(jù)之間相反的數(shù)學(xué)關(guān)系，為保持這種數(shù)學(xué)關(guān)系，必須增加取反邏輯使其保持原有的相反關(guān)系，如圖 1所示。3、明文以正反兩種方式分別存儲(chǔ)在兩個(gè)寄存器中，兩個(gè)寄存器中總的漢明重量為 64。兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過兩套獨(dú)立的運(yùn)算邏輯進(jìn)行運(yùn)算。4、兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都具有相反的數(shù)學(xué)關(guān)系，保證總的漢明重量為恒定值。5、由于數(shù)據(jù)的0，1比例會(huì)影響其運(yùn)算的速度，如果兩套運(yùn)算邏輯中重要的功能單元的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間不一致，就可能會(huì)呈現(xiàn)出特殊的功耗特征，從而成為攻擊目標(biāo)，在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)中，利用兩套運(yùn)算邏輯中數(shù)據(jù)所具有的相反關(guān)系來對(duì)SBOX的輸入進(jìn)行同步，即只有在數(shù)學(xué)關(guān)系滿足時(shí)，真實(shí)的數(shù)據(jù)才會(huì)進(jìn)入SB0X，否則輸入為全0。如圖2所示。
6、利用兩個(gè)寄存器中的中間結(jié)果和最終的運(yùn)算結(jié)果相反的關(guān)系來檢測(cè)是否有錯(cuò)誤發(fā)生，以決定運(yùn)算結(jié)果是否能夠輸出密碼模塊。以上通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種防對(duì)稱密碼算法受攻擊的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、實(shí)現(xiàn)兩套獨(dú)立的運(yùn)算邏輯，其中第一套邏輯完全以密碼協(xié)議規(guī)定的方式實(shí)現(xiàn)， 第二套邏輯除了非線性運(yùn)算部分需要特殊構(gòu)造之外，其余線性運(yùn)算部分完全按協(xié)議實(shí)現(xiàn)；步驟二、明文以兩種不同的方式分別存儲(chǔ)在兩個(gè)寄存器里，兩個(gè)寄存器中總的漢明重量為一特定值，并且兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過兩套獨(dú)立的運(yùn)算邏輯進(jìn)行運(yùn)算；步驟三、在兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，以保證它們總的漢明重量為一不變的特定值；步驟四、利用在兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)所具有的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)關(guān)鍵功能單元的數(shù)據(jù)做同步，以避免因數(shù)據(jù)太快或太慢而呈現(xiàn)出特殊的功耗特征；步驟五、利用在兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)所具有的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，包括在每一輪運(yùn)算后存儲(chǔ)在寄存器中的數(shù)據(jù)所具有的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如果密碼設(shè)備受到攻擊，破壞了這種數(shù)學(xué)關(guān)系，則通過檢測(cè)兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來檢測(cè)密碼設(shè)備是否因受到攻擊而出錯(cuò)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟一中所述的特殊構(gòu)造是指第二套邏輯的非線性運(yùn)算部分的輸入與輸出和第一套邏輯的非線性運(yùn)算部分的輸入與輸出分別相反。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟三所述的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系是指兩套運(yùn)算邏輯中的每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都具有相反的數(shù)學(xué)關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過平衡漢明重量防對(duì)稱密碼算法受攻擊的方法，涉及信息安全技術(shù)領(lǐng)域。通過平衡漢明重量來消除操作數(shù)據(jù)與功耗之間關(guān)系并實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)的方法；實(shí)現(xiàn)兩套獨(dú)立的邏輯，兩套邏輯中運(yùn)算的數(shù)據(jù)具有特殊的數(shù)學(xué)關(guān)系，使得操作數(shù)據(jù)的漢明重量始終保持不變，這在一定程度上也就掩蓋了因漢明重量的不同而引起的功耗差異；并且可以利用兩套邏輯中的操作數(shù)具有的特定數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，也可以通過檢測(cè)它們之間的關(guān)系是否成立來判斷運(yùn)算過程是否有錯(cuò)誤發(fā)生，從而達(dá)到防DFA攻擊的目的。
文檔編號(hào)H04L9/06GK102468954SQ201010537949
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者徐云秀 申請(qǐng)人:上海華虹集成電路有限責(zé)任公司