基于汉明重的sms4密码代数旁路攻击研究

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1、第３６卷第６期计算机学报Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．６２０１３年６月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＥＲＳＪｕｎｅ２０１３基于汉明重的ＳＭＳ４密码代数旁路攻击研究刘会英１）１），２）１）１），２）３）１）赵新杰王韬郭世泽张帆冀可可１）（军械工程学院计算机工程系石家庄０５０００３）２）（北方电子设备研究所北京１０００８３）３）（康涅狄格大学计算机科学与工程系康涅狄格州斯托斯０６２６９美国）摘要基于汉明重泄露模型，对ＳＭＳ４算法抗代数旁路攻击能力进行了评估．首先构建ＳＭＳ４算法等价布尔代数方程组，然后

2、采集ＳＭＳ４加密功耗泄露，基于模板分析对加密中间状态字节的汉明重进行推断，并转化为与密码算法联立的代数方程组，最后利用解析器进行密钥求解．结果表明：ＳＭＳ４密码易遭受代数旁路攻击；已知明文条件下，２个样本４轮连续汉明重泄露或２６轮离散汉明重泄露可恢复１２８ｂｉｔＳＭＳ４主密钥；未知明密文条件下，２个样本连续５轮汉明重泄露可恢复１２８ｂｉｔＳＭＳ４主密钥；使用随机掩码防御的ＳＭＳ４实现仍不能有效防御代数旁路攻击，已知明文条件下，２个样本连续１４轮汉明重泄露可恢复１２８ｂｉｔＳＭＳ４主密钥．为提高攻击实

3、用性，提出了一种容错代数旁路攻击方法，结果表明汉明重推断错误率不超过６０％的情况下，２个样本可恢复１２８ｂｉｔＳＭＳ４主密钥．本文方法对其它分组密码代数旁路攻击研究具有一定的借鉴意义．关键词ＳＭＳ４；代数旁路攻击；汉明重；模板分析；掩码防护；容错中图法分类号ＴＰ３９３ＤＯＩ号１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１６．２０１３．０１１８３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨａｍｍｉｎｇＷｅｉｇｈｔ－ＢａｓｅｄＡｌｇｅｂｒａｉｃＳｉｄｅ－ＣｈａｎｎｅｌＡｔｔａｃｋｓｏｎＳＭＳ４１）１），２）１）１），２）３）１）ＬＩＵＨｕ

4、ｉ－ＹｉｎｇＺＨＡＯＸｉｎ－ＪｉｅＷＡＮＧＴａｏＧＵＯＳｈｉ－ＺｅＺＨＡＮＧＦａｎＪＩＫｅ－Ｋｅ１）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０００３）２）（ＴｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｒｔｈＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３）３）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｎｎｅｃｔｉｃｕ

5、ｔ，Ｓｔｏｒｒｓ，ＣＴ０６２６９，ＵＳＡ）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＳＭＳ４ａｇａｉｎｓｔａｌｇｅｂｒａｉｃｓｉｄｅ－ｃｈａｎｎｅｌａｔｔａｃｋ（ＡＳＣＡ）ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＨａｍｍｉｎｇｗｅｉｇｈｔ（ＨＷ）ｍｏｄｅｌ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ＳＭＳ４ｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓａｓｅｔｏｆｅｑｕａｔｉｏｎｓｉｎｖｏｌｖｉｎｇｔｈｅｐｕｂｌｉｃａｎｄｋｅｙｖａｒｉａｂｌｅｓａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｌｅａｋａｇｅｓｏｆｔｈｅｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｓｅ

6、ｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅＨＷｓｏｆｉｍｍｅｄｉａｔｅｂｙｔｅｓａｒｅｄｅｄｕｃｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｍｐｌａｔｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｄｄｉｔｉｏｎａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓａｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅｓａｔ－ｓｏｌｖｅｒｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｃｏｖｅｒｔｈｅｋｅｙ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＳＭＳ４ｉｓｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｔｏＡＳＣＡ．Ｉｎｔｈｅｋｎｏｗｎ－ｐｌａｉｎｔｅｘｔｓｃｅｎａｒｉｏ，ｆｏｕｒｒｏｕｎｄｓｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＨＷｌｅａｋａｇ

7、ｅｓｏｒｔｗｅｎｔｙ－ｓｉｘｒｏｕｎｄｓｒａｎｄｏｍｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＨＷｌｅａｋａｇｅｓｉｎｔｗｏｔｒａｃｅｓａｒｅｅｎｏｕｇｈｔｏｒｅｃｏｖｅｒｔｈｅ１２８ｂｉｔｓｍａｓｔｅｒｋｅｙ．Ｉｎｔｈｅｕｎｋｎｏｗｎ－ｐｌａｉｎｔｅｘｔｓｃｅｎａｒｉｏ，ｔｈｅＨＷｌｅａｋａｇｅｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｆｉｖｅｒｏｕｎｄｓｉｎｔｗｏｔｒａｃｅｓａｒｅｅｎｏｕｇｈｔｏｒｅｃｏｖｅｒｔｈｅｆｕｌｌｋｅｙ．ＷｅａｌｓｏｓｈｏｗｔｈａｔＳＭＳ４ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈｍａｓｋｉｎｇｃｏｕｎｔｅｒｍｅａ

8、ｓｕｒｅｓｉｓａｌｓｏｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｔｏＡＳＣＡ．Ｉｎｋｎｏｗｎ－ｐｌａｉｎｔｅｘｔｓｃｅｎａｒｉｏ，ｔｈｅＨＷｌｅａｋａｇｅｓｏｆ１４ｒｏｕｎｄｓｉｎｔｗｏｔｒａｃｅｓａｒｅｅｎｏｕｇｈｔｏｒｅｃｏｖｅｒｔｈｅｆｕｌｌｋｅｙ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅａｔｔａｃｋ，ａｎｅｒｒｏｒｔｏｌｅｒａｎｔＡＳＣＡｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｍａｔｅｒｋｅｙｏｆＳＭＳ４ｃａｎｂｅｒｅｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｌｅａｋａｇｅｓｏｆｔｈｅｆｉｒ