碰撞能量攻击关键效率问题与容错技术研究

Collision attack is one of the most important methods of power analysis attacks on cryptographic algorithms. As a heavy threat to both countermeasures against side-channel attacks and unknown-algorithm cryptosystems, it is widely used in the test and evaluation on cryptographic chips. Nowadays, the main problem in collision attacks consists of two weaknesses. First, the traversal search costs too much time. Second, there are no practical fault-tolerant schemes. In this project, we focus on the design of efficient and fault-tolerant collision attacks. The concepts of adaptive chosen-plaintext collision detection and bitwise collision detection are proposed, which will be combined with test chain. On the one hand, the methods of information re-exaction in collision detection will be investigated in order to acquire the distance away from collision. So, only several sieves are required for getting a collision. On the other hand, new test chain will be designed based on the fault-tolerant matrix. Thus, the collision results among some S-boxes will be fault-tolerant, and the success rate of the whole collision attack will be increased significantly. Our research will bring efficient analysis technologies and theory evidence for the security assessment organizations, and help to the design of countermeasures against side-channel attacks for the industrial circles. Therefore, cryptographic chips for business and civil use will be protected in security.

碰撞攻击是目前密码算法能量攻击的主要手段之一，对现有的抗侧信道攻击对策、算法保密的密码系统均具有很强的威胁，因而在密码芯片测评与分析工作中有广泛应用。目前，碰撞攻击主要采用遍历式碰撞搜索，效率偏低，且缺少实用化纠错方案。本项目着眼于高效可纠错碰撞攻击这一新问题，创新性地提出了适应性选择明文碰撞检测和比特碰撞检测的概念，通过与新型测试链相结合的技术路线完成研究目标。一方面，研究碰撞检测过程中信息量的二次提取，获得到达碰撞的距离信息，通过几步筛选高效地获得碰撞；另一方面，基于纠错矩阵来设计新型测试链，为多个S盒之间的碰撞检测赋予纠错能力，大幅提高碰撞攻击成功率。本项目旨在为芯片安全性测评机构提供高效的分析技术和理论依据，为工业界设计更安全的侧信道防御对策奠定良好的基础，并力争为国家商用、民用密码芯片提供有力的安全保障。

本项目于2015年1月至2017年12月期间，对碰撞能量攻击的关键问题与容错技术、以及前沿侧信道攻防技术开展研究，共发表学术论文17篇，其中SCI检索11篇，申请国家发明专利3项，获学术会议优秀论文奖1项，培养博士后1名、博士生1名、硕士生7名。. 本项目着眼于高效可纠错碰撞攻击这一新问题，创新性地提出了错误率碰撞分析、对错碰撞率分析攻击、二次筛法碰撞攻击、比特碰撞攻击、针对掩码的二阶碰撞攻击，这些新方法的效率较目前国际上主流碰撞攻击方法均有显著提高。其中，错误率碰撞分析方法获得了中国密码学会2015年会优秀论文奖。. 我们积极探索前沿侧信道分析技术，提出了暂稳攻击、基于故障灵敏度分析的模板攻击和零值攻击、R方拟合侧信道攻击、二维能量分析、随机循环密钥等全新侧信道攻防方法，涵盖故障攻击、能量攻击、侧信道防护等多个领域，其中暂稳攻击发表于CHES 2015，是该会议召开17年来中国大陆发表的第5篇论文。. 我们设计实现了抗侧信道攻击的国产密码算法SM2/3/4 IP核，可应用于资源受限的智能卡场景；设计实现了非接触式智能卡能量信息提取器等三种实用技术或平台，并申请了国家发明专利。. 本项目旨在为芯片安全性测评机构提供高效的分析技术和理论依据，为工业界设计更安全的侧信道防御对策奠定良好的基础，并力争为国家商用、民用密码芯片提供有力的安全保障。