[論文レビュー] Power Analysis Based Side Channel Attack

Hasindu Gamaarachchi, Harsha Ganegoda|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Cryptographic Implementations and Security参考文献 9被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、暗号システムにおける電力分析側帯攻撃の実用的テストベッドを提示し、AESおよび最近リリースされたSpeckアルゴリズムの鍵回復をそれぞれ10分および1時間以内に成功させた。回路レベルおよびソフトウェアベースの対策を評価した結果、ソフトウェア手法（例：ランダム命令挿入、Sボックスシャッフル）がハードウェアフィルターよりもはるかに効果的であることが判明した。一方、対策におけるランダムネスの質を向上させるために、ハードウェア真性乱数生成器の提案も行った。

ABSTRACT

Power analysis is a branch of side channel attacks where power consumption data is used as the side channel to attack the system. First using a device like an oscilloscope power traces are collected when the cryptographic device is doing the cryptographic operation. Then those traces are statistically analysed using methods such as Correlation Power Analysis (CPA) to derive the secret key of the system. Being possible to break Advanced Encryption Standard (AES) in few minutes, power analysis attacks have become a serious security issue for cryptographic devices such as smart card. As the first phase of our project, we build a testbed for doing research on power analysis attacks. As power analysis is a practical type of attack in order to do any research, a testbed is the first requirement. Since building a test bed is a complicated process, having a pre-built testbed would save the time of future researchers. The second phase of our project is to attack the latest cryptographic algorithm called Speck which has been released by National Security Agency (NSA) for use in embedded systems. In spite it has lot of differences to AES making impossible to directly use the power analysis approach used for AES, we introduce novel approaches to break Speck in less than an hour. In the third phase of the project, we select few already introduced countermeasures and practically attack them on our testbed to do a comparative analysis. We show that software countermeasures such as random instruction injection and randomly shuffling S-boxes are good enough for their simplicity and cost. But we identify the possible threat due to the problem of generating a good seed for the pseudo-random algorithm running on the microcontroller. We attempt to address this issue by using a hardware-based true random generator that amplifies a random electrical signal and samples to generate a proper seed.

研究の動機と目的

• 埋め込み暗号システムにおける電力分析側帯攻撃のための機能的で再利用可能なテストベッドを構築すること。
• AESとは異なる点を有するが、NSA設計の最近リリースされたSpeck暗号が電力分析攻撃に対して脆弱であるかを実証すること。
• 既存および新規の回路レベルおよびソフトウェアベースの対策の有効性を評価・比較すること。
• マイコンベースの対策における擬似乱数シード生成という重要な課題に、ハードウェア真性乱数生成器の提案と実験を用いて対処すること。

提案手法

• テストベッドは、暗号処理にPIC18F2550マイコン、電力トレース取得にデジタルオシロスコープ、電力測定にはグランドおよびVDD抵抗法を用いたカスタムPCBを用いた。
• AES暗号化中に収集した電力トレースに相関電力分析（CPA）を適用し、中間値と電力消費量との統計的相関を用いて秘密鍵を回復した。
• Speckについては、Sボックスが存在しないため、新たな攻撃戦略が開発された。攻撃は、ラウンド鍵の導出と、ROTATEやADDといったデータ依存演算に基づく相関分析を用いた。
• 回路レベルの対策には、パassフィルタ（LC、RC）、電圧レギュレータ、ザイナーダイオード、演算増幅器、定電流源が含まれ、CPAに対する耐性が評価された。
• ソフトウェア対策には、ランダム命令挿入とSボックスシャッフルが含まれ、逆バイアスしたトランジスタからの増幅ノイズを用いたカスタム真性乱数シード生成器も実装した。
• シード生成のための二重構成を実装した：一つはデジタルピンを用いてデジタイズドノイズ信号をサンプリングする方法、もう一つはアナログピンを用いた連続アナログサンプリングの方法で、周波数およびフーリエスペクトル解析により両者を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストで再利用可能なテストベッドを構築し、電力分析攻撃に関する実用的かつ効果的な研究を可能にすることができるか？
• RQ2 AESとは異なる設計を有する最近リリースされたSpeck暗号は、電力分析攻撃に対して脆弱であるか？
• RQ3 既存および新規の回路レベル対策は、電力分析攻撃を防止するのにどの程度有効であるか？
• RQ4 ランダム命令挿入やSボックスシャッフルといったソフトウェアベースの対策は、最小限のハードウェアコストで強力な保護を提供できるか？
• RQ5 ハードウェアベースの真性乱数生成器は、埋め込み対策における擬似乱数シードのセキュリティを向上させることができるか？

主な発見

• テストベッドはCPAを用いてAES鍵を10分未満で正常に回復した。これにより、将来的な研究に向けた機能性と再利用可能性が裏付けられた。
• Sボックスの欠如やROTATEやADDといった独自の演算を踏まえた、新たな攻撃技術を用いて、Speckは1時間未塔で正常に破壊された。
• テストされたすべてのパass回路フィルタ（2次LCフィルタを含む）は5時間以内に侵害され、電力分析に対して十分な保護を提供しないことが示された。
• カスタム回路手法の中でも最良のものでも4時間未満の保護にとどまり、回路レベル対策が洗練された電力分析に対しては頑健でないことが確認された。
• ランダム命令挿入は攻撃時間を著しく延長し、100個の挿入命令では20日以上を要すると推定された。これは、すべての回路ベース対策を上回る効果を示した。
• 提案された、増幅ノイズを用いたトランジスタからの真性乱数シード生成器は、周波数分布およびフーリエスペクトル解析により高いランダムネスを示した。これは、擬似乱数シード生成における重要な弱みを是正した。