[发明专利]免受侧信道分析的保护方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使电路或程序免受旨在发现由所述电路或程序处理的机密数据的值(特别是由加密或解密算法用于变换消息的私钥)的侧信道分析的方法和设备。

本发明特别涉及实现诸如AES(高级加密标准)之类的密码算法的智能卡集成电路或集成到计算机和其它电子和IT设备(USB驱动器、电视解码器、游戏控制台等)的母板上的硬件加密组件。本发明还涉及实现这种算法的程序，该程序用于在安全或不安全的环境中执行。

更一般地说，本发明涉及实现组合了需要隐藏的两个数据的运算的电路和软件。

背景技术

实现密码算法的电路可以包括中央处理单元(CPU)，并且可能包括专用于密码计算的电路，例如密码协处理器。这些电路可以包括根据所执行的运算以不同的方式切换的数千个逻辑门。这些切换操作在电流消耗上产生短暂变化(例如几纳秒)，并且这些变化可以被测量。具体而言，CMOS型集成电路包括在切换时(即，当逻辑节点将其状态变为1或0时)才消耗电流的逻辑门。因此，电流消耗取决于中央处理单元所处理的数据及其各种外围设备(存储器、在数据或地址总线上流动的数据、密码协处理器等)。

此外，使用加密或模糊技术(例如白盒密码技术)的某些软件程序可以以非常难以通过逆向工程确定的方式来集成机密数据。某些软件程序还可以通过安全通信通道从外部接收机密数据。

基于观察这些电路的电流消耗、或它们的磁或电磁辐射时，这些电路可能会受到所谓的侧信道分析攻击。此类攻击旨在发现机密数据，特别是加密密钥。当前侧信道攻击实施诸如SPA(“单功耗分析”)、DPA(“差分功耗分析”)、CPA(“相关功耗分析”)或EMA(“电磁分析”)之类的统计分析方法。SPA分析(参考文献[1])通常只需要获取单个电流消耗踪迹。其目的是通过观察对应于密码计算的消耗踪迹的一部分来获得关于集成电路的活动的信息，因为当前踪迹根据所执行的运算和所处理的数据而变化。

软件在被电路执行期间也可能经历这种侧信道攻击。

DPA(参考文献[2])和CPA分析使得能够通过获取大量电路消耗踪迹并通过对这些踪迹进行统计分析以查找目标信息来找到加密算法的密钥。它们基于这样的前提：即，当寄存器中或总线上的位从0变为1时，CMOS型集成电路的消耗发生变化，以及当位保持等于0、保持等于1或从1变为0(MOS晶体管的寄生电容的放电)时，消耗不发生变化。或者，可以认为当位从0变为1或从1变为0，CMOS型集成电路的消耗变化，并且当位保持等于0或保持等于1时，CMOS型集成电路的消耗不变。该第二假设使得能够使用常规的“汉明距离”或“汉明权重”函数来开发不需要知道集成电路的结构即可应用的消耗模型。DPA分析涉及通过对大量消耗踪迹的统计处理来放大该消耗差异，目的在于突出根据公式假设区分的两个消耗踪迹族之间的测量差异。

CPA分析(参考文献[3])基于线性电流消耗模型，并且涉及计算首先所测量的形成所捕获的消耗踪迹的消耗点与其次根据线性消耗模型和有关由微电路处理的待发现的数据以及有关加密密钥的值的假设而计算出的推定消耗值之间的相关系数。

电磁分析(EMA)基于如下原理：即，集成电路可以以近场或远场电磁辐射的形式发送信息。假设晶体管和连接它们的电线在其状态改变时发射电磁信号，则可以通过诸如SPA、DPA和CPA分析中的一种或其它分析，像电流消耗变化信号那样处理这些信号。此分析的一个应用实例由Jean-Jacques Quisquater(参考文献[4])在2001年做出。

存在其它侧信道分析，例如“模板分析”(参考文献[5])和“交互信息分析”(MIA)(参考文献[6])。所有上述分析都基于所有被分析的踪迹的时间对准。换言之，在给定时间(例如从命令的执行被电路激活的时间)执行的所有测量都必须对应于由算法处理的相同数据。