认证加密算法的新型故障分析研究

Authenticated encryption is a fundamental scheme to achieve data confidentiality and authentication. Its design and implementation should have the ability to resist against both mathematical cryptanalysis and fault analysis. As for the authenticated encryption and its structure, this study proposes the novel combined methods and optimized implementation of fault analysis, such as impossible meet-in-the-middle fault analysis, double impossible fault analysis, and generalized integral fault analysis, etc. It makes uses of the simulation and fault injection tools to validate the correctness and efficiency of fault analysis. On the basis of the above methods and implementation, it establishes the formal description and theoretical model. This study refreshes security boundary in implementation of authentication encryption, and constructs the essential connection of main fault analysis. It provides the theoretical basis and technical realization for the independent design, analysis and testing of cryptographic chips in high-end smart cards. It is also of great significance to enhance the capabilities of protection and decryption for cryptographic devices and systems.

认证加密算法作为实现数据保密性和认证性的核心密码体制，它的设计和实现不仅要求具有抵御数学攻击的能力，而且还应具有抵御故障分析的能力。本项目针对典型认证加密算法和结构，重点研究不可能中间相遇故障攻击、双重不可能故障攻击和广义积分故障攻击等新型组合类方法及优化技术，给出攻击代价的定量描述。通过对认证加密算法进行仿真实现，利用故障导入工具产生所需要的故障，验证分析方法的正确性和有效性。在此基础上，提出故障分析认证加密算法的形式化描述，建立相关理论模型。本项目的研究结果将刷新认证加密算法实现强度的安全边界，揭示主流故障分析方法之间的本质联系，为抵御故障攻击的高端智能卡密码芯片的自主设计、分析和测试提供理论依据和技术实现，同时对于增强密码器件与密码系统的防御与破译能力，具有非常重要的现实意义和价值。

随着智能卡、集成电路和RFID的广泛应用，利用故障分析可以实现对密码设备快速破译，由于其低廉的实现代价和成功的攻击效果，已引起了国内外密码学界和微电子学界的极大关注。我们重点围绕国际CASEAR竞赛认证加密算法、国际ISO/IEC标准、国际主流轻量级密码，研究了新型故障攻击方案、检测防御方法以及其它密码分析技术等内容。首先，针对认证加密算法AES-OTR、COLM、OMD、AES-JAMBU、CLOC、iFeed[AES]、SILC、OCB等，提出了新型故障分析和检测方法，并对防御故障分析的硬件开销和时间冗余做了评估，新方法不仅针对性强、简单有效，而且软硬件实现代价更小。其次，面向故障分析的实际环境，构建了与、或、双重与、双重或等多种故障模型，并基于拟合优度、最大后验概率、矩估计、巴氏系数、詹森香农散度等设计了多种单重、多重区分器，提升了故障分析的适用性。然后，提出了故障攻击SM4、PRESENT、Simeck、LED、GIFT、Simon、Midori、PHOTON等算法的高效新方案，可以快速地破译原始密钥，提升了密码分析的攻击能力。最后，结合主流对称密码的设计结构和实现特点，对故障分析的原理和本质进行了分析，提出了新型不可能—中间相遇故障分析、唯密文故障分析、统计故障分析、积分故障分析等，并建立了多维评价指标，为故障分析的评估提供了客观的量化指标和技术度量。