安全芯片电磁泄漏发射分析及对策研究

Cryptographic devices have become essential building blocks of many systems that we daily use. Consequently, the research on security topics became more and more important today. Electromageti(EM)Emanations Analysis is an important attack method for security chip.The analysis (directly or by statistical evaluations) of EM traces of the cryptographic device under attack is the foundation of the so called EM analysis attack. EMA-resistant logic styles are a class of hardware countermeasures that is implemented at the cell level. This project investigates a relationship between the intensity of EM radiation and that of EM information leakage on a security chips.Focuses exclusively on EM analysis attacks ,along with the other types of attacks execution time attack, power consumption attack,acoustic crytannlysis,fault analysis attack . Regarding attacks, from singal acquisition,processing then Algebraic Side-Channel Analysis.We plan to collect EM singalboth by porbe and antenna ,then compared the compromising electromagnetic emanations of different distance. On the other side,according the results of EM analysis ,we will investigate the vulnerabilities of naive (and protected) implementations, and give a brief summary of known generic countermeasures (masking and differential logic styles),try to find the countermeasures from software and hardware to prevent EM analysis attacks on chip cards,to find how to build secure cryptographic hardware in the presence of physical attacks (Side-channel analysis, fault analysis and combined analysis.)for providing the foundation to the security chips on their design level.

本项目对安全芯片电磁泄漏发射分析及防御对策所涉及的有关电磁信号的采集、处理及分析问题进行系统研究。针对电磁信号的传导和辐射两种方式，信号采集采用探头和天线两种方式；在信号处理和分析方面，采用代数分析与侧信道信息综合分析相结合的方法。旨在通过分析现有芯片面临的电磁威胁，研究相应的防御措施。在芯片电磁泄漏发射攻击研究方面，对安全芯片以及抗能耗攻击的设备进行电磁分析，并利用其在工作中所泄漏出包括能耗攻击、时间攻击、声音攻击、电磁攻击等攻击手段在内的侧信息进行综合分析。在密码芯片电磁泄漏发射防御研究方面，针对安全芯片电磁泄漏发射攻击研究结果，从软件防御和硬件防御两个方面设计相应的防御方法，如软件防御的随机化技术、掩码技术等；硬件防御，如屏蔽、距离保护、噪声干扰、采用低辐射设备等相结合的方案，为芯片在设计阶段提供理论与技术支持，以保障芯片系统的安全性。

密码设备作为密码算法实现的重要载体用来保护数据的安全，被广泛使用于各种场景。然而，侧信道分析的存在严重威胁着密码设备的安全，研究侧信道分析有利于评估当前设备的安全性，构建更加安全的防护措施。课题组根据立项时制定的研究计划，围绕侧信道分析开展了一系列研究工作，圆满地完成了立项的研究目标， 主要研究内容和成果如下。.1、在侧信道泄漏信号的预处理方面，本课题提出了四种预处理方法，可以有效地提取有用的信号，有利于后面的分析。这些预处理方法分别是，(1)提出将奇异值谱分解应用于侧信道密码泄漏信号的降噪，改进了小波降噪方法的低效率。(2)提出了基于变分模态分解方法。(3) 基于鲁棒性的主成分分解与降噪方法。(4)提出基于流形学习的非线性降维方法，为掩码方案的分析拓宽了思路。.2、在侧信道区分器研究方面，本课题研究了区分器优化、评估和设计。具体而言，在区分器优化方面，本课题提出了基于奇异值分解选择泄漏曲线以及基于双子密钥恢复的方案，以上两个创新极大地提高了当前最受欢迎的非刻画侧信道区分器——相关性分析的效率。在区分器的评估方面，本课题利用半刻画模型在不同参数不同场景中全面地评估了近年来学术界提出的各种基于簇的区分器，以及在理论上分析各个区分器的优劣，侧信道从业者提供了相应的参考。在区分器的设计方面，本课题提出了利用非线性判别分析作为侧信道高阶区分器直接分析掩码方案。该区分器与以往的传统高阶分析相比，具有低复杂度和不依赖某个模型的优点，可扩展性更强 。.3、在侧信道泄漏检测方面，本课题提出了基于选择能量迹(能量迹线性最优选择)的相关性检验算法，能够在信噪比极低的情况下成功检测到泄漏 。.4、在密钥排名研究方面，本课题提出了群碰撞攻击方案。通过将密钥空间切割成若干块，完成群内碰撞和群间碰撞，删除掉不可能的密钥组合，实现了更快速的密钥排名估计。