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ECC标量乘法VLSI实现以及功耗分析攻击技术研究

作　者: 邓秋成
导　师: 郭立；白雪飞
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 电路与系统
关键词: 椭圆曲线密码算法差分功耗分析攻击超大规模集成电路有限域
分类号: TN918.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自从1985年Miller和Koblitz分别提出椭圆曲线密码体制后,ECC密码体制得到了国内外学者的广泛关注。与RSA相比,ECC密码体制有很多优越性,比如,更高的单比特安全强度,更小的硬件资源耗费等。因此ECC也被认为是未来替代RSA的加密体制。功耗分析攻击技术是最常用的旁信道攻击技术之一,由于其便于实现并且攻击效果比较好,功耗分析攻击技术近几年得到了飞速发展。功耗分析攻击的基本原理是通过采集并分析加密设备工作过程中产生的功耗曲线,从而得到芯片内部执行加解密运算操作的密钥和数据,达到破解密码算法的过程。本文对ECC密码算法有限域运算的集成电路优化实现技术,椭圆曲线上运算的集成电路实现技术,和功耗分析攻击与防护方法进行了研究。设计出了一款高速的有限域模逆运算单元,成功实现了ECC点乘运算模块的VLSI设计,并用差分功耗分析攻击对ECC点乘模块进行了攻击实验。本文主要工作特色和创新点如下:1.硬件实现了所有的有限域运算模块,其中,有限域的乘法运算采用了并行的Sunar-Ko?乘法器,在此基础上,设计出了一款高速的有限域模逆运算单元。在二进制有限域GF (2 233)下,模逆运算只需要26个时钟周期就可以完成。2.在椭圆曲线层的运算上,采用了射影坐标下的Montgomery点乘算法来实现ECC的点乘运算。该算法无需进行预计算,并且将模逆运算的次数减少到1,因此采用Montgomery点乘算法能获得比较快的速度。实验中,利用有限状态机进行数据流的控制和存储器的反复利用。最终快速的实现了点乘运算单元并完成流片。3.构建了一个功耗分析攻击软件仿真平台。在该平台上,利用多种EDA软件和编程语言实现电路的功耗估计,并成功的运用差分功耗分析攻击破译了Montgomery点乘算法的密钥值。实验结果证明了Montgomery点乘算法不能抗差分功耗分析攻击,因此,在实际应用中,需要结合一些防御措施以确保算法的安全性。本文的研究工作得到了国家自然科学基金资助项目(60606005)的支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-13
第1章绪论  13-21
  1.1 研究背景  13-16
    1.1.1 密码体制的分类  13-14
    1.1.2 椭圆曲线密码体制的优势  14-15
    1.1.3 旁道攻击概述  15-16
    1.1.4 VLSI 设计流程  16
  1.2 国内外研究现状  16-18
    1.2.1 ECC 密码算法的研究现状  17
    1.2.2 功耗分析攻击及其对策的研究现状  17-18
  1.3 本文研究内容及意义  18-19
  1.4 本文内容安排  19
  1.5 小结  19-21
第2章 ECC 密码算法简介及相关理论基础  21-31
  2.1 有限域介绍  21-24
    2.1.1 群、域和有限域的概念  21-22
    2.1.2 有限域的分类  22-23
    2.1.3 有限域的基  23-24
  2.2 椭圆曲线密码体制  24-28
    2.2.1 椭圆曲线的定义  24-26
    2.2.2 椭圆曲线上的运算  26-27
    2.2.3 椭圆曲线上点的两种表示方法  27-28
  2.3 椭圆曲线加解密原理以及操作层次  28-30
    2.3.1 椭圆曲线加解密原理  28-29
    2.3.2 椭圆曲线密码体制的运算层次  29-30
  2.4 小结  30-31
第3章 ECC 密码算法有限域运算的优化及实现  31-49
  3.1 椭圆曲线密码体制参数的选取及点乘运算模块划分  31-33
    3.1.1 有限域的选择  31-32
    3.1.2 基于有限域GF(2m ) 上椭圆曲线域参数的选择  32-33
    3.1.3 ECC 点乘运算的模块划分  33
  3.2 有限域模块的硬件实现  33-45
    3.2.1 有限域的加法和平方运算  33-35
    3.2.2 有限域的乘法运算  35-41
    3.2.3 有限域的模逆运算  41-45
  3.3 有限域模块的功能仿真  45-48
    3.3.1 有限域乘法模块和平方模块的联合仿真  46-47
    3.3.2 有限域乘法模块和求逆模块的联合仿真  47-48
  3.4 小结  48-49
第4章椭圆曲线上点乘运算的 VLSI 实现  49-73
  4.1 常用的点乘算法及比较  49-54
    4.1.1 二进制算法  49-50
    4.1.2 二进制NAF 算法  50-51
    4.1.3 射影坐标下的Montgomery 算法  51-53
    4.1.4 算法之间的性能比较  53-54
  4.2 点乘运算的VLSI 设计  54-63
    4.2.1 点乘模块总体架构  54-55
    4.2.2 PMUL 模块的具体实现  55-60
    4.2.3 R2A 模块的具体实现  60-63
  4.3 ECC 点乘运算模块的功能仿真  63-66
    4.3.1 验证策略  63-64
    4.3.2 功能仿真结果  64-66
  4.4 ECC 点乘模块VLSI 设计后端流程及流片  66-73
    4.4.1 ECC 点乘模块的综合  66-68
    4.4.2 ECC 点乘模块的布局布线及后仿  68-70
    4.4.3 流片和封装  70-73
第5章 ECC 密码算法的攻击分析研究  73-85
  5.1 功耗分析攻击  73-76
    5.1.1 简单功耗分析攻击  74-75
    5.1.2 差分功耗分析攻击  75-76
  5.2 ECC 密码算法的差分功耗分析攻击研究  76-81
    5.2.1 DAA 算法的差分功耗分析攻击  76-78
    5.2.2 Montgomery 算法的差分功耗分析攻击  78-79
    5.2.3 Montgomery 算法的DPA 实验结果及分析  79-81
  5.3 抗DPA 攻击的对策研究  81-84
    5.3.1 传统DPA 攻击方法的对策研究  81-82
    5.3.2 新的DPA 攻击方法对策研究  82-84
  5.4 小结  84-85
第6章总结与展望  85-87
  6.1 本文工作总结  85-86
  6.2 未来工作展望  86-87
参考文献  87-95
攻读学位期间发表的学术论文  95-97
致谢  97

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