روش جدید در امنیت سیستم های رمزنگاری توسط گیت های نامتوازن

سامانه‌های پردازشی و ارتباطی چندرسانه‌ای هوشمند

مقاله 5، دوره 3، شماره 2 - شماره پیاپی 8، تیر 1401، صفحه 39-50   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید حمیدرضا موسوی^{* 1}؛ مهدی صفائیان²؛ امیر حسن احمدی قلعه³

¹استادیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، واحد زنجان، دانشگاه آزاد اسلامی، زنجان، ایران.

²استادیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، واحد هیدج، دانشگاه آزاد اسلامی، زنجان، ایران

³دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه برق، واحد زنجان، دانشگاه آزاد اسلامی، زنجان، ایران

چکیده

امروزه اشتراک اطلاعات و انتقال ایمن آن بین سیستمهای مختلف الکترونیکی ضروری شدهاست. یکی از چالشهای مهم در این زمینه حملات کانال جانبی میباشد که با استفاده از تکنیکهای موجود سعی در بدست آوردن کلید رمزنگاری دارند. هدف از این پژوهش ارائه طرح جدیدی برای مقاوم‌سازی الگوریتم‌های رمزنگاری می‌باشد. در این طرح با به هم زدن توان مصرفی توسط دو عامل ارتقاء گیت‌های کلیدی و تزریق تصادفی تاخیر در اجرای بخش‌های مختلف از الگوریتم استاندارد رمزنگاری پیشرفتهAES ، میزان مقاومت این سامانه در مقابل حملات تفاضلی توان DPA افزایش یافته است. برای اصلاح گیت XOR از مدلی استفاده شده است که با وجود توان متغیر در زمانهای مختلف عملکردی ثابت و منطقی دارد. ترکیب گیت فوق با تاخیرهای تصادفی که توسط PLL در ناحیه گذرا ساخته می‌شود، مقاومت سیستم را بیشتر بهبود داده است. طرح فوق در تکنولوژی 65nm پیاده شده و نتایج حاصل از شبیه‌سازی در مقابل حملات تفاضلی توان نتایج قابل قبولی را نشان داده است. این طرح تنها هزینه سربار 33 درصد در فضای اشغالی و 25 درصد در توان مصرفی را به دنبال داشته است، و تنها سرعت عملکرد 3 درصد کم شده است در حالی که مقاومت تقریبا دو برابر شده است.

کلیدواژه‌ها

استاندارد رمزنگاری پیشرفته؛ حملات تفاضلی توان؛ اندازه گیری توان؛ حلقه فاز قفل شده؛ گیت

مراجع

[1]       P. Bilski and W. Winiecki, “Multi-core implementation of the symmetric cryptography algorithms in the measurement system,” Meas. J. Int. Meas. Confed., vol. 43, no. 8, pp. 1049–1060, 2010.

[2]           I. Hammad, K. El-Sankary, and E. El-Masry, “High-speed AES encryptor with efficient merging techniques,” IEEE Embed. Syst. Lett., vol. 2, no. 3, pp. 67–71, 2010.

[3]           P. C. Kocher et al., “Differential Power Analysis,” Journal of Cryptographic Engineering. pp. 1–10, 1999.

[4]           J. W. Lee, S. C. Chung, H. C. Chang, and C. Y. Lee, “Efficient power-analysis-resistant dual-field elliptic curve cryptographic processor using heterogeneous dual-processing-element architecture,” IEEE Trans. Very Large Scale Integr. Syst., vol. 22, no. 1, pp. 49–61, 2014.

[5]           Randolph M, Diehl W. Power side-channel attack analysis: A review of 20 years of study for the layman. Cryptography. 2020 Jun;4(2):15.

[6]           T. Popp, E. Oswald, and S. Mangard, “Power Analysis Attacks and Countermeasures,” Des. Test Comput. IEEE, vol. 24, no. 6, pp. 535–543, 2007.

[7]           U. Rührmair et al., “Efficient Power and Timing Side Channels for Physical Unclonable Functions.” pp. 476–492, 2014.

[8]           R. Bevan, E. Knudsen, and B. Bp, “Ways to Enhance Differential Power Analysis,” Icisc 2002, vol. 1, pp. 327–342, 2002.

[9]           S. Mangard, “A Simple Power-Analysis (SPA) Attack on Implementations of the AES Key Expansion,” Society, vol. 2587, pp. 343–358, 2002.

[10]         X. Cui, R. Li, W. Wei, J. Gu, and X. Cui, “AHardware implementation of des with combined countermeasure against DPA,” in Proceedings of International Conference on ASIC, 2013.

[11]         M. Masoumi, P. Habibi, A. Dehghan, M. Jadidi, and L. Yousefi, “Efficient implementation of power analysis attack resistant advanced encryption standard algorithm on side-channel attack standard evaluation board,” Int. J. Internet Technol. Secur. Trans., vol. 6, no. 3, p. 203, 2016.

[12]         I. Verbauwhede and K. Tiri, “A Dynamic and Differential CMOS Logic with Signal-Independent Power Consumption to Withstand Differential Power Analysis,” 2008.

[13]         Z. Y. and Z. X. WANG Pengjun, “Design of Two-phase SABL Flip-flop for Resistant DPA Attacks,” Chinese J. Electron., vol. 22, no. 4, pp. 833–837, 2013.

[14]         K. Tiri and I. Verbauwhede, “A logic level design methodology for a secure DPA resistant ASIC or FPGA implementation,” Proc. - Des. Autom. Test Eur. Conf. Exhib., vol. 1, pp. 246–251, 2004.

[15]         K. Tiri, D. Hwang, A. Hodjat, and B.-C. Lai, “Prototype IC with WDDL and differential routing–DPA resistance assessment,” Cryptogr. Hardw. Embed. Syst. – CHES 2005, vol. 3659/2005, pp. 354–365, 2005.

[16]         T. Popp and S. Mangard, “Masked Dual-Rail Pre-charge Logic: DPA-Resistance Without Routing Constraints,” pp. 172–186, 2005.

[17]         Sim BY, Kwon J, Choi KY, Cho J, Park A, Han DG. Novel side-channel attacks on quasi-cyclic code-based cryptography. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems. 2019 Aug 9:180-212.

[18]         J. J. A. Fournier, S. Moore, H. Li, R. Mullins, and G. Taylor, “Security Evaluation of Asynchronous Circuits,” Cryptogr. Hardw. Embed. Syst. - CHES 2003, 2003.

[19]         Y. Lu, M. P. O’Neill, and J. V. McCanny, “FPGA implementation and analysis of random delay insertion countermeasure against DPA,” Proc. 2008 Int. Conf. Field-Programmable Technol. ICFPT 2008, pp. 201–208, 2008.

[20]         C. Y. Liu, P.C., Chang, H.C. and Lee, “A low overhead DPA countermeasure circuit based on ring oscillators,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, vol. 57, no. 7, pp. 546–550, 2010.

[21]         S. M. Trimberger, Field-Programmable Gate Array Technology. 2012.

[22]         J. S. and W. Y. TANG Wenyi, “Dual-Voltage Single-Rail Dynamic DPA-Resistant Logic Based on Charge Sharing Mechanism,” Chinese J. Electron., vol. 26, no. 5, pp. 899–905, 2017.

[23]         Lou X, Zhang T, Jiang J, Zhang Y. A survey of microarchitectural side-channel vulnerabilities, attacks, and defenses in cryptography. ACM Computing Surveys (CSUR). 2021 Jul 13;54(6):1-37.

[24]         U.~Meyer-Bäse, “Coherent Demodulation with {FPGA}s,” Lect. Notes Comput. Sci., vol. 1142, pp. 166–175, 1996.

[25]         V. Rashtchi and H. Mousavi, “Countermeasure cryptography algorithm by PLL to FPGA,” tjee, vol. 3, no. 2, 2017.

[26]         Kumar R, Liu X, Suresh V, Krishnamurthy HK, Satpathy S, Anders MA, Kaul H, Ravichandran K, De V, Mathew SK. A time-/frequency-domain side-channel attack resistant AES-128 and RSA-4K crypto-processor in 14-nm CMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2021 Jan 28;56(4):1141-51.

[27]         V. Rashtchi and H. Mousavi, “Strengthening AES Encryption Algorithms with an Improved Logic Topology,” Majlesi J. Electr. Eng., vol. 6, no. 3, 2018.

[28]         C. Tokunaga and D. Blaauw, “Secure AES engine with a local switched-capacitor current equalizer,” Dig. Tech. Pap. - IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2009.

[29]         H. Wang, “AES-based security coprocessor IC in 0.18 µm CMOS with resistance to differential power analysis side channel attack,” Ieee Jssc, vol. 41, no. 4, pp. 781–791, 2006.

[30]         A. Attaran and M. Mirhassani, “An embedded low-overhead PLL-based countermeasure against DPA side channel attack,” ISSCS 2015 - Int. Symp. Signals, Circuits Syst., 2015.