密码电路中组合逻辑的功耗分析与防护研究

In recent years, the theory of side-channel analysis is rapidly developing, mainly in the following two aspects: on one hand is to establishing a more general method of power consumption feature recognition in order to eradicate the needs to pay much attention to the implementations, by which determine the security of the cryptosystem. On the other hand is matching the circuit unit with the algorithm more precisely combining with the law of integrated circuit development to enhance the efficiency of analysis. This project will focus on the later one and target the combinational logics which have not been accurately modeled in the circuit, carrying out research from power model, analytical methods and protective measures and trying to establish the mathematics model of matching combinational logic power characteristics, proposing corresponding innovative methods of theoretical analysis. Meanwhile, this project will design combinational logic masking scheme from the view of application to defense the existing attack. The result of this project will provide new analytical methods for evaluating cryptographic system and will also provide reference for cryptographic algorithms combinational logic design. With the widespread use of high security cryptographic systems such as electronic passports and financial IC card, the domestic independent cryptographic algorithms and the security of corresponding system has been taken unprecedented attention. In this context, the project has a certain theoretical research and engineering value.

近几年，密码电路的旁路功耗分析理论发展迅速，主要表现在以下两个方面：一是建立更为通用的功耗特征识别方法，使得无需太多关注算法的实现方式，即可判断该密码系统的安全性。二是结合集成电路的发展规律，更精确的将算法操作和电路单元匹配起来，以提高分析的效率。本项目研究将针对后者，以密码电路中尚未精确建模的组合逻辑为分析目标，从功耗模型、分析方法和防护措施等三方面开展相关研究，尝试建立匹配组合逻辑功耗特征的数学模型，创新提出相应的理论分析方法，同时还将从应用角度出发，设计组合逻辑的掩码方案，抵御已有的常用攻击手段。项目研究结果将为密码系统的评测提供新的分析方法，也将为密码算法中组合逻辑的设计提供参考。随着电子护照和金融IC卡等高安全密码系统的广泛应用，国内自主的密码算法和相应系统的安全性设计得到了前所未有的重视，在这种背景下，本项目研究具有一定的理论和工程价值。

本项目主要研究密码电路中组合逻辑的功耗分析和防护方法，研究对象为常用对称和公钥密码电路中的组合逻辑，研究工作从功耗模型、分析方法、防护措施和原型分析系统等方面展开。取得了如下成果：.（1）基于非线性运算构建了组合逻辑的信息泄露模型，同时构建了基于组合逻辑和时序逻辑的混合信息泄露模型，并提出相应分析方法，使得分析效率提高10%-20%。.（2）针对分组密码算法、杂凑密码算法和公钥密码算法，分别提出若干新型分析方法，可有效发现算法电路结构中的安全隐患。提出了近似通用DPA方法，有效解决了纳米工艺集成电路的信息建模不精确的问题。.（3）针对高阶攻击和模板攻击，提出矩阵掩码等有效的防护方法，满足低噪声下芯片实现的实际需求。提出一种防护措施的自动化实现方法，有效提高同类算法的软件防护设计效率。.（4）研制原型分析系统，包括功耗采集仪器、电磁辐射采集仪器和旁路分析软件，构建的旁路信息分析平台支持典型国际算法和国密算法，可评估电路安全性，同时可验证分析方法和防护措施的有效性。.项目共发表论文20篇，成果获得2017年国家科技进步二等奖和2015年上海市科技进步一等奖，项目研制原型系统在检测中心、芯片企业和高校得到应用，项目培养博士生2名、硕士生4名，项目实施取得了预期效果。