SMS4密码算法抗功耗分析攻击的VLSI设计与防御策略

"抗功耗分析攻击的SMS4密码算法VLSI设计技术研究.pdf" 本文深入探讨了在VLSI（Very Large Scale Integration）设计中如何应对功耗分析攻击的挑战，特别是在SMS4密码算法的应用场景下。SMS4是我国首个商用密码算法，它在WAPI（无线局域网鉴别与保密基础结构）标准中扮演关键角色，保障无线网络数据的安全。然而，随着功耗分析攻击技术的发展，SMS4算法的脆弱性逐渐显现，对此类攻击的防御成为亟待解决的问题。 功耗分析攻击是一种非侵入式的侧信道攻击，它利用密码硬件在执行过程中产生的功耗差异，结合输入和输出数据，来推测并最终恢复出电路内部的秘密密钥。由于这种攻击手段实施简单且效果显著，已经引起了广泛的关注。 在本研究中，作者对SMS4算法进行了多方面的VLSI优化设计，旨在增强其抗功耗分析的能力。首先，对比了几种不同的S盒（S-Box）电路架构，如基于合成域运算和Twisted BD D架构的实现。实验结果显示，合成域运算的S盒电路在面积效率上最优，而Twisted BD D架构的S盒电路则在速度方面占优。作者还提出了一种基于合成域运算的紧凑型面积优化设计，将GF((2^2)^2)上的S盒构造与GF(2^8)上的乘法逆运算相结合，以逻辑与和异或操作简化电路实现。 其次，论文详细介绍了在Twisted BD D架构上优化SM4算法的方法，通过调整参数，实现了一种快速的基于Twisted BD D的SM4算法电路。 此外，作者构建了一个功耗分析攻击的软件仿真平台，提供灵活的仿真策略和流程，以适应不同密码算法、电路规模和仿真时间的需求，实现资源消耗和仿真精度之间的平衡。 在安全分析部分，论文首次提出了针对SMS4算法的差分功耗分析（DPA）攻击方法，利用线性变换L的特点，成功地展示了DPA攻击的有效性。进一步，作者还开发了相关功耗分析（CPA）攻击方法，这种方法可以提供比DPA更优的攻击效果，增加了对SMS4算法的威胁。 这篇博士学位论文详尽地研究了SMS4密码算法的VLSI设计，对抗功耗分析攻击的策略，以及相关的软件仿真和攻击方法，为未来密码硬件的安全设计提供了宝贵的理论和技术支持。