基于随机掩码的AES算法抗DPA攻击硬件实现

随着AES取代DES作为新一代数据加密标准,AES在安全领域的应用越来越广泛,针对AES的各种恶意攻击日趋严重。其中一种称为功耗攻击的旁路攻击技术已经对AES构成了巨大威胁。因此,研究抗功耗攻击的AES防护技术具有重要的理论意义和实用价值。本文在国内外相关研究的基础上,深入研究了功耗攻击原理;给出了一种AES有效实现方案;基于此有效实现,提出一种基于随机掩码的AES抗DPA攻击防护方案;在此基础上,给出了基于随机掩码的AES抗DPA攻击硬件实现。(1)研究功耗攻击原理及抗功耗攻击技术。对功耗攻击原理进行分析,可以更深入了解AES算法抗功耗攻击的薄弱环节,是研究抗功耗攻击防护技术的基础。(2)给出了AES的一种有效实现方案。本文将AES中唯一的非线性变换——SubBytes变换中的有限域GF(2~8)上求逆转换到有限域GF(2~4)和GF(2~2)上实现,有效降低了所需的硬件开销,这种有效实现方案也是基于随机掩码的AES防护技术的基础。(3)提出了一种基于随机掩码的AES抗DPA攻击防护技术方案。在AES有效实现方案的基础上,将AES掩码防护的关键——有限域GF(2~8)上字节掩码求逆转换成有限域GF(2~4)和GF(2~2)上的一系列掩码运算,有效实现了AES的掩码防护。理论分析证明所有的中间结果均被隐藏,达到了抗DPA攻击的目的。(4)给出了基于随机掩码的AES抗DPA攻击硬件实现。本文分别实现了掩码防护的AES协处理器——Masked AES和没有掩码防护的AES协处理器——Unmasked AES。相比Unmasked AES,Masked AES在芯片面积、最大频率、吞吐率等性能上有所下降,但实现了抗DPA攻击,安全性能得到增强。