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轻量级分组密码算法的功耗分析及防御技术研究

作　者: 姜佩贺
导　师: 喻明艳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 轻量级分组密码算法 PRESENT 功耗分析攻击 threshold型掩码
分类号: TN918.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 53次
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内容摘要

智能卡、物联网RFID设备越来越多的被应用到金融、物流、制造业等众多领域，保护这一类设备中信息的安全关乎到国民经济的发展和国家信息的安全。然而，由于这些设备对资源、功耗有着苛刻的要求，传统的密码算法已经不再适用。在这类设备中，使用轻量级密码算法进行数据加密，是目前比较常用的安全解决方案。功耗分析攻击是通过分析密码设备在加密过程中的功耗变化与处理数据的相关性，推测出密钥的一种方法，该方法给信息安全带来了巨大挑战。由于轻量级密码设备易受到功耗分析攻击，且轻量级设备对硬件资源和功耗有着严格的要求。因此，对轻量级密码设备的抗功耗分析攻击能力进行正确评估，并找到抵御功耗分析攻击的轻量级解决方案，具有重要的理论意义和应用价值。在对抗功耗分析攻击方案的研究中，首先，研究了轻量级密码算法PRESENT，并利用硬件描述语言Verilog对其进行了硬件实现。同时，分析了基于相关系数的功耗分析(CPA)攻击理论基础。而后，搭建了基于PrimeTimePX的功耗模拟平台和基于FPGA的真实电路功耗采集平台。针对两种方式采集到的功耗信息，分别利用MATLAB进行数学分析，实现了对PRESENT算法的CPA攻击。最后，针对抗CPA攻击的轻量级实现，研究了threshold型掩码方案，并将其应用于PRESENT算法中，其中，设计了基于FPGA的真随机数发生器。通过本文的理论研究及相关的实验，证实了PRESENT密码算法极易受到功耗分析攻击，没有防御措施的PRESENT是不安全的。所应用的threshold型掩码能够有效的抵御一阶CPA攻击，并且资源消耗低，适合于轻量级密码算法。同时，本文所搭建的功耗模拟平台、FPGA功耗采集平台以及基于FPGA的真随机数发生器可以应用于其他任何密码算法，对进一步的理论研究具有重要的意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究目的和意义  9-11
    1.1.1 密码芯片在信息安全中的重要作用  9
    1.1.2 功耗分析攻击对密码芯片安全的威胁  9-10
    1.1.3 轻量级密码算法面临的机遇与挑战  10-11
  1.2 国内外研究现状分析  11-14
    1.2.1 功耗分析攻击与防御技术  11-13
    1.2.2 轻量级密码算法  13-14
  1.3 本文的主要研究内容  14
  1.4 论文结构安排  14-16
第2章 PRESENT 算法的 RTL 实现及功耗分析攻击  16-30
  2.1 PRESENT 算法介绍  16-18
  2.2 PRESENT 密码算法的 RTL 实现  18-22
    2.2.1 算法实现的结构及端口  18-20
    2.2.2 算法子模块的设计  20-21
    2.2.3 ASIC 实现结果  21-22
  2.3 功耗分析攻击原理及功耗模拟平台简介  22-25
    2.3.1 基于相关系数的功耗分析攻击原理  22-24
    2.3.2 模拟平台的实现  24-25
  2.4 PRESENT 算法攻击点的选取及攻击  25-29
    2.4.1 攻击点的选取  25-27
    2.4.2 攻击结果及分析  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 FPGA 功耗采集平台的搭建及攻击结果分析  30-47
  3.1 总体方案介绍  30-32
  3.2 上位机 LabVIEW 程序实现方案  32-36
    3.2.1 UART 指令  33-35
    3.2.2 LabVIEW 程序的实现  35-36
  3.3 加密 FPGA 实现方案  36-40
  3.4 控制 FPGA 实现方案  40-42
    3.4.1 ARM7 SOPC 的配置  40-41
    3.4.2 lbus 控制器的实现  41-42
    3.4.3 UART monitor 的实现  42
  3.5 数据的采集与攻击  42-46
    3.5.1 数据的采集  42-44
    3.5.2 攻击结果与分析  44-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章 threshold 型掩码抗功耗分析攻击技术研究  47-60
  4.1 掩码防护技术  47-48
  4.2 基于 FPGA 的真随机数发生器的设计  48-50
    4.2.1 随机源模块的设计  49-50
    4.2.2 后处理模块的设计  50
    4.2.3 随机数质量的评估  50
  4.3 threshold 型掩码实现方案  50-56
    4.3.1 threshold 型掩码概述  50-51
    4.3.2 PRESENT 算法 S 盒的水平分解  51-53
    4.3.3 PRESENT 算法 S 盒的垂直分解  53-54
    4.3.4 threshold 型掩码数据流分析  54-55
    4.3.5 threshold 型掩码的硬件实现  55-56
  4.4 攻击结果与分析  56-58
  4.5 存在的问题及不足  58-59
  4.6 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-65
攻读学位期间发表的学术论文  65-67
致谢  67

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