[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文提出了首个针对LED轻量级分组密码的开源阈值实现，采用秘密共享技术以抵御一阶功耗分析攻击。通过将敏感数据分割到多个份额中，该设计实现了对一阶侧信道攻击的可证明安全性，尽管代价是面积翻倍且最大频率降低30%。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可证明安全的一阶侧信道抗性LED分组密码实现。
• 通过硬件对策解决LED等轻量级密码算法对差分功耗分析（DPA）攻击的脆弱性。
• 提供可验证的开源实现，以支持可复现性及轻量级密码学的进一步研究。
• 评估在真实FPGA环境中应用阈值实现所带来的面积与性能开销。
• 通过功耗轨迹分析证明，阈值实现能有效缓解LED中的侧信道泄漏。

提出的方法

• 基于秘密共享采用阈值实现（TI），将每个敏感值拆分为多个独立份额。
• 将TI原理应用于LED密码中的所有非线性操作（如S盒）和线性操作（如MixColumns、ShiftRows）。
• 在Spartan-6 FPGA上设计了字节串行、 nybble串行的架构，以原始LED串行实现为基础进行复用。
• 设计状态机控制逻辑，管理128位密钥、64位明文及12个步骤中的轮状态转换。
• 使用2→1重构单元在加密后将份额重新组合为单一输出，确保正确性与完整性。
• 将TI设计作为协处理器集成到Skiva 32位SPARC V8架构SoC上，通过APB总线通信并使用内存映射寄存器。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功将阈值实现应用于LED分组密码，以实现一阶侧信道抗性？
• RQ2 与未保护版本相比，应用阈值实现对LED的面积和性能开销如何？
• RQ3 通过功耗轨迹分析测量，所提出的TI设计是否能有效降低侧信道泄漏？
• RQ4 该实现是否可验证且开源，以支持可复现性与社区验证？
• RQ5 当遭受如TVLA等真实功耗分析攻击时，阈值实现的实际表现如何？

主要发现

• 所提出的阈值实现通过确保每个份额独立且不可完成，成功抵御了一阶功耗侧信道攻击。
• 由于各份额间逻辑的重复，与未保护的LED实现相比，面积增加了近100%。
• 由于份额数量增加导致路径复杂度与数据通路宽度上升，最大工作频率降低了约30%。
• TVLA结果表明，与未保护版本相比，阈值实现的t值显著降低，证实了泄漏的有效减少。
• 该实现已成功部署在Xilinx Spartan-6 FPGA上，使用SAKURA-G开发板，功耗轨迹通过WaveRunner 6 Zi HRO示波器采集。
• 整个设计已开源至GitHub，以确保透明性、可验证性及社区复用。