轻量化AES算法抗二阶能量分析攻击研究与设计

摘要

随着电子信息技术的飞速发展，密码芯片被广泛应用于人类的日常生活中，如居民身份证，银行卡等，对这类资源受限的密码设备的安全性问题研究是一个重要的研究课题。AES算法是新一代的高级加密标准，已被广泛应用于各类信息产品中。随着密码技术的不断发展，对密码设备的攻击技术也日益复杂多样，AES算法的安全性受到了严重威胁，能量分析攻击是其中威胁最大的一种攻击方式。所以，研究能量分析攻击技术及其防御对策对于保证加密设备的安全性具有重要意义。
　　本文在对能量分析攻击技术及AES算法轻量化研究的基础上，设计一个抗二阶能量分析攻击的轻量化AES算法的综合方案，其主要工作介绍如下。
　　(1)对AES算法抗二阶能量分析攻击方案的研究。论文主要研究了掩码防御技术，在简单固定值掩码方案的基础上进行改进设计。论文的改进掩码方案使用四组不同的固定掩码值对AES算法的四个轮函数分别实现掩码，避免了掩码的轮内与轮间重用，实现抗二阶能量分析攻击的目的。
　　(2)AES算法的轻量优化设计。本文在对分组密码算法各种轻量化方法研究的基础上，利用AES算法加解密流程中各轮函数的性质，对轮函数的执行顺序进行调换。再根据调序后的轮函数执行顺序，设计四张新的查找表，提高加密算法的执行效率，并实现对AES算法的轻量优化。
　　(3)基于能量分析攻击和算法轻量化两方面的研究内容，兼顾抗能量分析攻击与轻量化，对AES算法进行综合设计，给出一种综合设计方案。
　　最后，对综合设计方案的安全性和执行效率进行仿真实验与分析，并与其他设计方案进行对比实验。实验结果表明，本文提出的综合设计方案不仅能够有效抵抗一阶和二阶能量分析攻击，并且能实现对算法的轻量优化，在保证执行效率的前提下减少对设备存储空间的占用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状与发展趋势

1．2．1 能量分析攻击与防御的国内外研究现状

1．2．2 分组密码算法轻量化实现的研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构安排

第2章 能量分析攻击及防御技术

2．1 能量分析技术的理论基础

2．1．1 密码设备的组成结构

2．1．2 密码设备的能量消耗

2．1．3 能量仿真与能量模型

2．2 能量分析攻击技术

2．2．1 简单能量分析攻击(SPA)

2．2．2 差分能量分析攻击(DPA)

2．2．3 高阶差分能量攻击(HODPA)

2．3 能量分析攻击的防御技术

2．3．1 隐藏技术

2．3．2 掩码技术

2．4 本章小结

第3章 AES算法抗能量分析研究与设计

3．1 能量分析攻击的实施过程

3．2 算法中轮函数的掩码实现方案

3．3 改进分析与设计

3．3．1 简单固定值掩码方法

3．3．2 掩码方法的改进设计

3．3．3 抗能量攻击能力的分析

3．4 本章小结

第4章 AES算法的轻量优化设计

4．1 算法的基础知识

4．1．1 算法的数学基础

4．1．2 AES算法概述

4．2 现有的优化方案

4．3 改进的轻量优化设计

4．3．1 加密过程的优化设计

4．3．2 解密过程的优化设计

4．3．3 改进轻量优化方案的性能分析

4．4 本章小结

第5章 抗二阶能量分析的AES轻量化算法的综合设计

5．1 轻量化掩码型AES算法的综合设计

5．1．1 综合方案的加解密流程设计

5．1．2 综合改进算法的掩码保护与掩码修正设计

5．2 综合方案的伪代码描述

5．3 本章小结

第6章 仿真实验及结果分析

6．1 仿真实验平台的搭建

6．2 抗能量分析攻击实验结果分析

6．3 算法优化实验结果分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文