[論文レビュー] Dimming Down LED: An Open-source Threshold Implementation on Light Encryption Device (LED) Block Cipher

Yuan Yao, Yang Mo+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2021

Cryptographic Implementations and Security被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、最初のオープンソースの閾値実装を、LED軽量ブロック暗号に適用し、秘密分散を用いて第一段階の電力分析攻撃に対して防御する。感度の高いデータを複数のシェアに分割することで、設計は第一段階の側帯域攻撃に対して証明可能に安全であるが、面積が2倍に増加し、最大周波数が30%低下する代償を伴う。

ABSTRACT

Lightweight block ciphers have been widely used in applications such as RFID tags, IoTs, and network sensors. Among them, with comparable parameters, the Light Encryption Device (LED) block cipher achieves the smallest area. However, implementation of encryption algorithms manifest side-channel leakage, therefore, it is crucial to protect their design against side-channel analyses. In this paper, we present a threshold implementation of the LED cipher which has 64-bit data input and 128-bit key. The presented design splits secret information among multiple shares to achieve a higher security level. We demonstrate that our implementation can protect against first-order power side-channel attacks. As a cost, the design area is almost doubled and the maximum operating frequency is degraded by 30%. To make our design verifiable, we have also open-sourced our design online.

研究の動機と目的

• LEDブロック暗号の証明可能に安全で、第一段階の側帯域攻撃に耐性のある実装を開発すること。
• DPA攻撃に対して脆弱な軽量暗号（例：LED）に対して、ハードウェア的対策を講じること。
• 再現可能性と軽量暗号分野におけるさらなる研究を支援するため、検証可能でオープンソースの実装を提供すること。
• 実際のFPGA環境において、閾値実装の面積および性能のオーバーヘッドを評価すること。
• 電力トレース解析を用いて、閾値実装が実際に側帯域漏洩を効果的に低減できることを示すこと。

提案手法

• 秘密分散に基づく閾値実装（TI）を採用し、各感度の高い値を複数の独立したシェアに分割する。
• LED暗号内のすべての非線形演算（例：Sボックス）および線形演算（例：MixColumns、ShiftRows）にTIの原則を適用する。
• Spartan-6 FPGA上でバイトシリアル、ニブルシリアルアーキテクチャを設計し、元のLEDシリアル実装をベースに再利用する。
• 128ビット鍵、64ビット平文、および12ステップにわたるラウンド状態遷移を管理するためのステートマシン制御論理を実装する。
• 暗号化後にシェアを1つの出力に再構成するための2→1再構成ユニットを用い、正しさと完全性を保証する。
• APBバスを介して通信し、メモリマップドレジスタを用いることで、Skiva 32ビットSPARC V8ベースSoC上にTI設計をコプロセッサとして統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEDブロック暗号に閾値実装を適用することで、第一段階の側帯域攻撃に耐性を持つことが可能か？
• RQ2 保護されていないバージョンと比較して、LEDに閾値実装を適用した際の面積および性能のオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 電力トレース解析によって測定された場合、提案されたTI設計は実際に側帯域漏洩を効果的に低減しているか？
• RQ4 実装を検証可能でオープンソースにすることで、再現可能性およびコミュニティによる検証を支援できるか？
• RQ5 TVLAのような実際の電力分析攻撃を受ける状況下で、閾値実装は実際の動作においてどのように機能するか？

主な発見

• 提案された閾値実装は、各シェアが独立しており、完全に再構成できないことを保証することで、第一段階の電力側帯域攻撃に対して効果的に防御している。
• シェアごとに論理回路を複製するため、保護されていないLED実装と比較して面積がほぼ100%増加している。
• 複数のシェアに起因する複雑さとデータパス幅の拡大により、最大動作周波数が約30%低下している。
• TVLAの結果から、保護されていないバージョンと比較して、閾値実装のt値が顕著に低減していることが確認され、漏洩の効果的低減が裏付けられた。
• Xilinx Spartan-6 FPGAに、SAKURA-Gボードを用いて実装を正常にデプロイし、WaveRunner 6 Zi HROオシロスコープを用いて電力トレースを収集した。
• 設計全体をGitHubにオープンソース化し、透明性、検証可能性、コミュニティによる再利用を確保した。