[논문 리뷰] Dimming Down LED: An Open-source Threshold Implementation on Light Encryption Device (LED) Block Cipher

Yuan Yao, Yang Mo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 26.

Cryptographic Implementations and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 첫 번째로 공개된 LED 경량 블록 암호의 임계값 구현을 제안하며, 비밀 공유를 통해 제1차 전력 분석 공격에 대비한다. 민감한 데이터를 여러 개의 공유로 분할함으로써 설계는 제1차 측면채널 공격에 대해 증명 가능한 보안성을 확보하지만, 면적은 두 배로 증가하고 최대 주파수는 30% 감소한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LED 블록 암호에 대해 증명 가능하고 제1차 측면채널 공격에 저항하는 구현을 개발한다.
• LED와 같은 경량 암호가 차등 전력 분석(DPA) 공격에 취약한 점을 고려해 하드웨어 대응 조치를 제공한다.
• 재현 가능성과 경량 암호 분야의 향후 연구를 지원하기 위해 검증 가능하고 오픈소스의 구현을 제공한다.
• 실제 FPGA 환경에서 임계값 구현의 면적 및 성능 오버헤드를 평가한다.
• 임계값 구현이 전력 트레이스 분 析를 통해 실제로 측면채널 누출을 효과적으로 완화함을 보여준다.

제안 방법

• 비밀 공유 기반의 임계값 구현(TI)을 채택하여 각 민감한 값이 여러 개의 독립적인 공유로 분할되도록 한다.
• LED 암호의 모든 비선형 연산(예: S-박스)과 선형 연산(예: MixColumns, ShiftRows)에 TI 원리를 적용한다.
• Spartan-6 FPGA에 바이트 시리얼, 니블 시리얼 아키텍처를 설계하여 원본 LED 시리얼 구현을 기반으로 재사용한다.
• 128비트 키, 64비트 평문 및 12단계에 걸친 라운드 상태 전이를 관리하기 위해 상태 기계 제어 논리를 설계한다.
• 암호화 후 공유를 다시 하나의 출력으로 조합하기 위해 2→1 복원 유닛을 사용하여 정확성과 완전성을 확보한다.
• APB 버스를 통한 통신과 메모리 매핑된 레지스터를 사용하여 Skiva 32비트 SPARC V8 기반 SoC에 TI 설계를 코프로세서로 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계값 구현이 LED 블록 암호에 성공적으로 적용되어 제1차 측면채널 공격에 저항할 수 있는가?
• RQ2 비보호 버전과 비교했을 때 임계값 구현을 LED에 적용함으로써 발생하는 면적 및 성능 오버헤드는 얼마인가?
• RQ3 제안된 TI 설계가 전력 트레이스 분 析를 통해 측면채널 누출을 효과적으로 감소시키는가?
• RQ4 재현 가능성과 커뮤니티 검증을 지원하기 위해 구현을 검증 가능하고 오픈소스로 만들 수 있는가?
• RQ5 TVLA와 같은 실제 전력 분석 공격을 받을 때 임계값 구현은 실제로 어떻게 작동하는가?

주요 결과

• 제안된 임계값 구현은 각 공유가 상호 독립적이고 완전히 분리되어 있음을 보장함으로써 제1차 전력 측면채널 공격에 효과적으로 대비한다.
• 공유 간 논리의 복제로 인해 비보호 LED 구현 대비 면적이 거의 100% 증가한다.
• 다중 공유로 인한 복잡성 증가와 데이터 경로 폭 증가로 인해 최대 동작 주파수가 약 30% 감소한다.
• TVLA 결과는 임계값 구현이 비보호 버전에 비해 t-값을 극적으로 감소시킴으로써 효과적인 누출 감소를 확인한다.
• Sakura-G 보드를 사용하여 Xilinx Spartan-6 FPGA에 성공적으로 구현하였으며, WaveRunner 6 Zi HRO 옛스코프를 통해 전력 트레이스를 수집하였다.
• 전체 설계는 GitHub에 오픈소스로 공개되어 투명성, 검증 가능성 및 커뮤니티 재사용을 보장한다.