[논문 리뷰] Power Analysis Based Side Channel Attack

Hasindu Gamaarachchi, Harsha Ganegoda|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 03.

Cryptographic Implementations and Security참고 문헌 9인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 암호화 시스템에 대한 전력 분석 사이드 채널 공격을 위한 실용적인 테스트베드를 제시하며, AES와 최근에 출시된 Speck 알고리즘의 비밀 키를 각각 10분 이내, 1시간 이내로 성공적으로 복구함을 보여준다. 회로 수준 및 소프트웨어 기반의 대응 기법을 평가한 결과, 소프트웨어 방법인 무작위 명령 주입과 S-박스 재배열이 하드웨어 필터보다 훨씬 효과적임을 확인하였으며, 대응 기법의 난수 품질을 향상시키기 위해 하드웨어 진짜 난수 생성기를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임베디드 암호화 시스템에 대한 전력 분석 사이드 채널 공격을 위한 기능성 있고 재사용 가능한 테스트베드를 구축하기.
• AES와는 다름을 보이는 설계를 가진 최근에 출시된 NSA 설계의 Speck 암호가 전력 분석 공격에 취약한지 검증하기.
• 기존 및 신규 회로 수준 및 소프트웨어 기반 대응 기법의 효과성을 평가하고 비교하기.
• 마이크로컨트롤러 기반 대응 기법에서의 가짜 난수 시드 생성 문제를 해결하기 위해, 하드웨어 기반 진짜 난수 생성기를 제안하고 테스트하기.

제안 방법

• 테스트베드는 암호 연산을 위한 PIC18F2550 마이크로컨트롤러, 전력 트레이스를 확보하기 위한 디지털 옌스코프, 그리고 전력 측정을 위한 지상 및 VDD 저항 방법을 사용한 커스텀 PCB를 사용한다.
• AES 암호화 동안 수집한 전력 트레이스에 상관관계 기반 전력 분석(CPA)을 적용하여 중간 값과 전력 소비 간의 통계적 상관관계를 분석하고 비밀 키를 복구한다.
• Speck의 경우 S-박스가 없고 키 스케줄링 방식이 다르므로 기존 공격 기법을 적용할 수 없어, 새로운 공격 전략을 개발하였다. 공격는 라운드 키 유도 및 데이터 의존적 연산(예: ROTATE, ADD) 기반의 상관관계 분석을 사용한다.
• 회로 수준의 대응 기법으로는 수동 필터(LC, RC), 전압 조절기, 제너 다이오드, 연산 증폭기, 일정 전류 소스를 포함하며, CPA에 대한 내성을 테스트하였다.
• 소프트웨어 대응 기법으로는 무작위 명령 주입과 S-박스 재배열을 사용하였으며, 반대로 투과된 전류를 이용한 노이즈를 증폭한 트랜지스터에서 유도된 커스텀 진짜 난수 시드 생성기를 구현하였다.
• 시드 생성을 위한 듀얼 설정을 구현하였으며, 하나는 디지털 핀을 이용해 디지털화된 노이즈 신호를 샘플링하고, 다른 하나는 아날로그 핀을 이용해 연속적인 아날로그 샘플링을 수행하였다. 둘 다 주파수 분포 및 푸리에 스펙트럼 분석을 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용이며 재사용 가능한 테스트베드를 효과적으로 구축하여 실용적인 전력 분석 공격 연구를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 AES와의 설계 차이가 있는 최근에 출시된 Speck 암호는 전력 분석 공격에 취약한가?
• RQ3 기존 및 신규 회로 수준의 대응 기법은 전력 분석 공격을 방지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 무작위 명령 주입 및 S-박스 재배열과 같은 소프트웨어 기반 대응 기법은 최소한의 하드웨어 오버헤드로 강력한 보호를 제공할 수 있는가?
• RQ5 하드웨어 기반 진짜 난수 생성기는 임베디드 대응 기법에서의 가짜 난수 시드의 보안을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• CPA를 사용하여 테스트베드는 10분 이내로 AES 키를 성공적으로 복구하여, 향후 연구를 위한 功能성과 재사용 가능성의 유효성을 입증하였다.
• S-박스가 없고 ROTATE 및 ADD와 같은 고유한 연산을 갖는 Speck에 대해, S-박스가 없는 특성에 맞춘 새로운 공격 기법을 적용하여 1시간 이내로 성공적으로 해독하였다.
• 모든 테스트된 수동 회로 필터(2차 LC 필터 포함)는 5시간 이내로 해킹되었으며, 전력 분석에 대한 보호 수준이 부족함을 시사한다.
• 커스텀 회로 방법 중 가장 우수한 것이라도 4시간 미만의 보호 기간을 제공하여, 회로 수준의 대응 기법이 정교한 전력 분석에 대해 강건하지 않음을 확인하였다.
• 무작위 명령 주입은 공격 시간을 크게 증가시켜, 100개의 명령 주입이 이루어진 경우 공격에 20일 이상 소요될 것으로 추정되었으며, 이는 모든 하드웨어 기반 방법을 뛰어넘는 성능을 보였다.
• 증폭된 트랜지스터 노이즈를 이용한 제안된 진짜 난수 시드 생성기는 주파수 분포 및 푸리에 스펙트럼 분석을 통해 고품질의 난수를 생성하였으며, 가짜 난수 시드의 핵심 취약점을 해결하였다.