选择明文模型下的分组密码侧信道安全性研究

This proposal is attempting to research into the side-channel analysis of block ciphers in the chosen-plaintext model. More specifically, we will study the pre-process of the side-channel leakage of the block ciphers running in the smart cards, as well as the side-channel analysis and evaluation methods of the block ciphers. First, this project will study the mathematical linear transformations for the signal pre-process procedure. We will look into the current linear transformations that are used for the signal pre-process, and try to explain the reason why the linear transformations can improve the signal to noise rate (SNR), as well as how much the linear transformations can improve the side-channel attacks. We also try to find some combinations of the linear transformations and new ones that can further improve the SNR. Second, this project tries to study the side-channel attacks in the chosen-plaintext model. We will learn how the side-channel attacks that work in the known-plaintext model can work when the EIS property is not satisfied. Meanwhile, we will try to improve the previous known chosen-plaintext side-channel attacks like collision attack. Furthermore, the combination of side-channel attacks and new cryptanalysis methods of block ciphers will be studied. Finally, we will research into the evaluation methods of block ciphers in the chosen-plaintext model. The accurate and efficient methodology to evaluate the side-channel leakage will be studied. At the same time, we will try to learn the evaluation of block ciphers that are protected by multiple contermeasures.

本课题的研究内容为选择明文模型下的分组密码算法侧信道安全性研究，将主要对分组密码运行过程中侧信道信息的信号预处理过程，以及分组密码的侧信道分析和评估方法中的一些重要问题进行研究。首先，本课题将研究信号预处理过程中的数学线性变换，通过对已有线性变换的分析，来解释它们改变信噪比的原因以及它们对侧信道攻击的影响；同时寻找进一步提高信噪比的线性变换组合以及新的线性变换。其次，本课题将研究选择明文模型下的分组密码侧信道攻击方法，对现有已知明文模型下的侧信道攻击如DPA、CPA等，研究它们在不满足EIS条件下时如何进行；同时对一些原来在选择明文模型下进行的攻击如碰撞攻击等进行进一步研究，并探索侧信道攻击和新的分组密码分析方法的结合。最后，我们对选择明文模型下的分组密码评估方法进行研究，探索准确高效的衡量信息泄露的方法；同时探索一些分组密码算法在多个防护措施同时存在时，其侧信道安全性的理论评估。

本项目对信号预处理过程中的数学线性变换、选择明文模型下的分组密码侧信道攻击及选择明文模型下的分组密码侧信道安全性三个方面进行了研究。. 本项目将PCA变换用于密码算法侧信道分析之前的信号处理，利用处理之后的信号给出了SM2签名算法的部分共享nonce攻击。虽然SM2不是分组密码算法，但该成果说明了线性变换提高了侧信道信号的信噪比。给出了基于ICA的选择明文下的信号处理方法，通过选择非正态分布的中间变量，并通过采集多路侧信道信号输入以利用ICA算法进行盲信源分离，提高信噪比。改进了SM4算法的选择明文DPA攻击方法，给出了基于DoM模型的尽可能多的利用信息量的分析方法。对SM4算法的不可能差差分析作进一步研究以期与侧信道分析方法相结合。给出了一种基于二阶距离的比特碰撞侧信道攻击。对基于模板的和非profilied的正确或错误的碰撞率分析进行了研究，并研究了AES的二维后向容错CPA。给出了3DES算法的非specific t检方法的构造。对软件实现的LEMS掩码方案的侧信道安全性进行了研究，发现一些掩码集合的距离绝对值不完全均衡的特点，并通过实验证实了这种不均衡确实会给密码实现造成安全性威胁，并给出了平衡的掩码集合应该具有的必要条件。给出了基于RFA回归分析模型的DPA攻击。. 此外，本项目对物理型硬件木马造成芯片退化或失效的机理进行了分析，对SM4的掩码方案的塔域实现进行了一些探索，并设计了基于USB接口的通讯和侧信道信号采集设备。