了解基于功耗的側(cè)信道攻擊的工作原理以及不同類型的功耗分析攻擊，包括簡單功耗分析 (SPA)、差分功耗分析 (DPA) 和相關(guān)功耗分析(CPA)。

之前，我介紹了 側(cè)信道攻擊 作為一個整體，包括為什么它們可以在硬件級別構(gòu)成重大安全威脅。

雖然有許多不同形式的側(cè)信道攻擊，包括電磁 (EM)、聲學和時序，然而，最常見和最強大的攻擊類型之一是基于功率的側(cè)信道攻擊。

在本文中，我們將討論功率攻擊的工作原理，并研究過去用于破解密碼學的特定形式的功率攻擊。

功率側(cè)信道攻擊背后的概念

基于功率的側(cè)信道攻擊的整個概念(典型設(shè)置如圖1所示)基于以下假設(shè)：在互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件中，功耗水平與器件正在執(zhí)行的操作之間存在相關(guān)性。

圖1. 基于功率的側(cè)信道攻擊的測試設(shè)置。

也就是說，電路消耗的功率會根據(jù)各個晶體管的活動而變化。

有了這種理解，攻擊者發(fā)現(xiàn)IC的功耗是一個側(cè)信道。基本上，它包含了關(guān)于芯片內(nèi)部正在發(fā)生的事情、正在處理的數(shù)據(jù)以及正在執(zhí)行的操作的泄漏信息。

大多數(shù)功率分析攻擊的工作原理是讓攻擊者在操作期間監(jiān)控設(shè)備的功率軌(最常見的是使用示波器)，尋找電流消耗或電壓波動。然后，攻擊者將獲取其數(shù)據(jù)并運行一系列統(tǒng)計分析，以將其發(fā)現(xiàn)與有關(guān)設(shè)備加密操作的信息相關(guān)聯(lián)。

為此，有三種主要形式的基于功率的攻擊值得討論：

簡單的功率分析 (SPA)

差分功率分析

相關(guān)性功率分析

簡單功率分析 (SPA) 攻擊

最基本的功率攻擊類型是簡單功率分析 (SPA)。

SPA 攻擊是一種基于功率的側(cè)信道攻擊方法，涉及直接且主要以視覺方式解釋設(shè)備的功耗測量值。這些類型的攻擊通常需要事先了解設(shè)備正在運行的加密算法類型，以便將測量的功耗與實際的數(shù)學運算相關(guān)聯(lián)。

SPA破解加密算法的一個著名例子是運行RSA(Rivest-Shamir-Adleman)的智能卡。RSA 是一種公鑰加密算法，它通過在加密密鑰上執(zhí)行一系列模塊化冪循環(huán)來運行，每個循環(huán)由許多乘法和平方運算組成。眾所周知，在冪循環(huán)的每次迭代中都會執(zhí)行平方運算，而乘法僅在指數(shù)的位為 1 時才執(zhí)行。

圖 2 顯示了 RSA 模塊化冪運算環(huán)路中的一段功率跡線(即一系列平方和乘法)。

圖2. 來自RSA算法的SPA泄漏

從功率跡線可以看出，乘法運算比平方運算消耗更多的功率，這會導致功率跡線中的尖峰更高。根據(jù)這條軌跡，以及我們對RSA算法的了解，我們可以簡單地確定每個功率尖峰(即乘法運算)與密鑰指數(shù)中的“1”位相關(guān)。在這種情況下，“0”顯示為較短的凸起，而沒有隨后較高的凸起。通過這種方式，SPA能夠從RSA恢復秘密加密密鑰。

差分功率分析 (DPA) 攻擊

SPA在非常簡單的電子系統(tǒng)(如智能卡)上效果最好，因為簡單系統(tǒng)的功能單一，這允許人們直接和直觀地將電源軌跡與特定操作相關(guān)聯(lián)。但是在更現(xiàn)實和復雜的系統(tǒng)中，許多操作都是并行進行的，所有操作都來自同一個功率軌 - 這使得幾乎不可能從視覺上破譯任何東西。

對于更復雜的系統(tǒng)，最強大的功率攻擊之一是差分功率分析(DPA)。

DPA 是一種基于功率的側(cè)信道攻擊，它使用統(tǒng)計方法來分析測量集，以識別數(shù)據(jù)的相關(guān)性(圖 3)。

圖3. DPA測試的結(jié)果。從上到下：LSB為1時第一個AES S-box的輸出，LSB為0時的相同輸出，輸出之間的差異，以及放大15倍的差異。圖片由Kocher等人提供

該方法主要包括收集跡線，如在SPA中一樣，將它們分成由選擇函數(shù)定義的單個子集，并計算其平均值的差異。如果子集之間沒有相關(guān)性，則差值將為零 - 如果集合之間存在相關(guān)性，則差值將是某個非零數(shù)。在足夠大的數(shù)據(jù)集上，無論數(shù)據(jù)中的噪聲量如何，這些相關(guān)性都變得可識別。

這些知識可以外推，以發(fā)現(xiàn)AES(高級加密標準)和DES(數(shù)據(jù)加密標準)等算法中的加密密鑰。在具有 128 位密鑰的 AES 的情況下，嘗試通過蠻力猜測密鑰需要 2^128 次嘗試，這在計算上是不可行的。然而，使用DPA，已經(jīng)表明密鑰可以在16 * 256次嘗試中破譯，這就變得非常容易了。

相關(guān)性功耗分析 (CPA) 攻擊

另一種強大的功率攻擊類型，實際上是DPA的一種變體，是相關(guān)功率分析(CPA)。

CPA 的工作原理是嘗試創(chuàng)建設(shè)備的功率模型，以便攻擊者可以找到預(yù)測輸出與設(shè)備功耗之間的統(tǒng)計相關(guān)性。冪模型越準確，相關(guān)性越強。

CPA中廣泛使用的一種功率模型是漢明權(quán)重模型，該模型假設(shè)加密密鑰中的“1”位數(shù)與加密期間設(shè)備的功耗直接相關(guān)。使用此模型，攻擊者將為設(shè)備提供不同的密鑰，并通過查找建模的功率單元值與實際消耗功率之間的相關(guān)性，將漢明權(quán)重與功率走線的電壓電平進行比較。

如果發(fā)現(xiàn)相關(guān)性，則攻擊者會努力收集由不同的預(yù)測密鑰輸入產(chǎn)生的大量跟蹤，正確的密鑰將導致最高級別的統(tǒng)計相關(guān)性。

總而言之，基于功率的側(cè)信道攻擊是迄今為止已知的最強大的硬件級攻擊形式之一。DPA和CPA等攻擊已被證明可以破解以前認為牢不可破的加密算法，例如AES和DES。