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第３６ 卷　第６ 期２０１３ 年６ 月计　　算　　机　　学　　报ＣＨ ＩＮＥＳＥ 　 ＪＯＵＲＮＡＬ　 ＯＦ　 ＣＯＭＰＵＴＥＲＳＶｏ ｌ． ３６ Ｎｏ． ６Ｊｕｎ ｅ　 ２０１３　收稿日 期：２０１１－ １１－ ２３； 最终修改稿收到日 期：２０１２－ ０７－ １７． 本课题得到国家自 然科学基金（６１１７３１９１，６１２７２４９１） 资助． 刘会英， 男 ，１９８４， 博士研究生， 主要研究方向为密码旁路分析． Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｌｈｙ＿ ｆ ｅｎｇ ｌ ｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ． 赵新杰， 男 ，１９８６ 年生， 博士研究生， 主要研究方向 为分组密码旁路分析和故障分析． 王　韬， 男 ，１９６４ 年生， 博士， 教授， 博士生导师， 主要研究领域为信息安全和密码学． 郭世泽， 男 ，１９６９ 年生， 博士， 研究员 ， 博士生导师， 主要研究领域为信息安全和密码学． 张　帆， 男 ，１９７８ 年生， 博士， 主要研究方向为密码旁路分析、 计算机体系结构和无线传感器网络安全． 冀可可， 女，１９８８ 年生， 硕士研究生， 主要研究方向为分组密码代数旁路攻击．基于汉明重的ＳＭＳ ４ 密码代数旁路攻击研究刘会英１）　赵新杰１） ，２）　王１）（军械工程学院计算机工程系　石家庄。埃担埃埃埃常玻ū狈降缱由璞秆芯克”本。保埃埃埃福常常的腋翊笱Ъ扑慊蒲в牍こ滔怠】的腋裰 斯托斯 ０６２６９韬１）　郭世泽１） ，２）　张帆３）　冀可可１）美国）摘　要　基于汉明重泄露模型， 对ＳＭＳ ４ 算法抗代数旁路攻击能力 进行了 评估． 首先构建ＳＭＳ ４ 算法等价布尔代数方程组， 然后采集ＳＭＳ ４ 加密功耗泄露， 基于模板分析对加密中间状态字节的汉明 重进行推断， 并转化为与密码算法联立的代数方程组， 最后利用 解析器进行密钥求解． 结果表明 ：ＳＭＳ ４ 密码易遭受代数旁路攻击； 已知明 文条件下，２ 个样本４ 轮连续汉明重泄露或２６ 轮离散汉明重泄露可恢复１２８ｂ ｉ ｔ　 ＳＭＳ ４ 主密钥； 未知明 密文条件下，２ 个样本连续５ 轮汉明重泄露可恢复１２８ｂ ｉ ｔ　 ＳＭＳ ４ 主密钥； 使用 随机掩码防御的ＳＭＳ ４ 实现仍不能有效防御代数旁路攻击， 已知明文条件下，２ 个样本连续１４ 轮汉明重泄露可恢复１２８ｂ ｉ ｔ　 ＳＭＳ ４ 主密钥． 为提高攻击实用 性， 提出 了 一种容错代数旁路攻击方法， 结果表明汉明重推断错误率不超过６０％的情况下，２ 个样本可恢复１２８ｂ ｉ ｔ　 ＳＭＳ ４ 主密钥．本文方法对其它分组密码代数旁路攻击研究具有一定的借鉴意义．关键词。樱停 ４； 代数旁路攻击； 汉明重； 模板分析； 掩码防护； 容错中图法分类号 ＴＰ ３９３　　。模 Ｉ 号。保埃常罚玻矗樱校剩保埃保叮玻埃保常埃保保福常 ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃｈ 　 ｏｎ　 Ｈ ａｍｍ ｉｎｇ　 Ｗ ｅ ｉｇｈ ｔ－Ｂａ ｓ ｅｄ　 Ａ ｌｇｅｂ ｒ ａ ｉ ｃ 　 Ｓ ｉｄ ｅ－Ｃｈａｎｎ ｅ ｌ　 Ａ ｔ ｔａ ｃｋ ｓ 　 ｏｎ 　 ＳＭＳ ４Ｌ ＩＵ　 Ｈｕ ｉ－Ｙ ｉｎ ｇ１）。冢龋粒稀 Ｘ ｉｎ－ Ｊ ｉ ｅ１） ，２）。祝粒危恰 Ｔ ａｏ１）。牵眨稀 Ｓｈ ｉ－Ｚ ｅ１） ，２）。冢龋粒危恰 Ｆ ａｎ３）。 Ｉ　 Ｋ ｅ－Ｋ ｅ１）１）（Ｄ ｅｐａ ｒ ｔｍ ｅｎ ｔ　 ｏｆ　 Ｃ ｏｍｐｕ ｔ ｅ ｒ　 Ｅｎｇ ｉｎ ｅ ｅ ｒ ｉｎｇ，Ｏ ｒｄｎ ａｎ ｃ ｅ　 Ｅｎｇ ｉｎ ｅ ｅｒ ｉｎｇ　 Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅｇ ｅ，Ｓｈ ｉ ｊｉａｚｈｕａｎｇ。埃担埃埃埃常玻ǎ裕 ｅ　 Ｉｎ ｓ ｔ ｉ ｔｕ ｔ ｅ　 ｏｆ　 Ｎｏ ｒ ｔｈ　 Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏｎ ｉ ｃ　 Ｅｑｕ ｉｐｍ ｅｎ ｔ，Ｂ ｅ ｉ ｊｉｎｇ。保埃埃埃福常常ǎ ｅｐａ ｒ ｔｍ ｅｎ ｔ　 ｏｆ　 Ｃ ｏｍｐｕ ｔ ｅｒ　 Ｓ ｃ ｉ ｅｎ ｃ ｅ　 ａｎｄ　 Ｅｎｇ ｉｎ ｅ ｅｒ ｉｎｇ，Ｕ ｎ ｉｖ ｅｒ ｓ ｉ ｔｙ　 ｏｆ　 Ｃ ｏｎｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｃｕ ｔ，Ｓ ｔｏ ｒ ｒ ｓ，ＣＴ　 ０６２６９，ＵＳＡ）Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ　 Ｗ ｅ 　 ｅｖ ａ ｌｕ ａ ｔ ｅ 　 ｔｈ ｅ 　 ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａｎ ｃ ｅ　 ｏ ｆ　 ＳＭＳ ４ ａｇ ａ ｉｎ ｓ ｔ 　 ａ ｌｇ ｅｂ ｒ ａ ｉ ｃ 　 ｓ ｉｄ ｅ－ ｃｈ ａｎｎ ｅ ｌ 　 ａ ｔ ｔａ ｃｋ （ＡＳＣＡ）ｂａ ｓｅｄ　 ｏｎ 　 ｔｈ ｅ　 Ｈａｍｍ ｉｎｇ　 ｗ ｅ ｉｇｈ ｔ （ＨＷ） ｍｏｄ ｅ ｌ． Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｌｙ， ＳＭＳ ４ｉ ｓ　 ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉｂｅｄ 　 ａ ｓ　 ａ 　 ｓ ｅ ｔ　 ｏ ｆ 　 ｅｑｕ ａ ｔ ｉｏｎ ｓｉｎｖｏ ｌｖ ｉｎｇ 　 ｔｈ ｅ　 ｐｕｂ ｌ ｉ ｃ 　 ａｎｄ　 ｋ ｅｙ 　 ｖ ａ ｒ ｉａｂ ｌ ｅ ｓ 　 ａｎｄ 　 ｔｈ ｅ　 ｐｏｗ ｅ ｒ 　 ｌ ｅ ａｋ ａｇ ｅ ｓ　 ｏ ｆ 　 ｔｈ ｅ　 ｅｎ ｃ ｒｙｐ ｔ ｉｏｎ 　 ａ ｒ ｅ　 ｍ ｅ ａ ｓｕ ｒ ｅｄ．Ｓ ｅ ｃｏｎｄ ｌｙ，ｔｈ ｅ　 ＨＷ ｓ　 ｏ ｆ 　 ｉｍｍ ｅｄ ｉ ａ ｔ ｅ　 ｂｙ ｔｅ ｓ　 ａ ｒ ｅ　 ｄ ｅｄｕ ｃ ｅｄ 　 ｔｈ ｒｏｕｇｈ 　 ｔｈ ｅ 　 ｔ ｅｍｐ ｌ ａ ｔ ｅ 　 ａｎ ａ ｌｙ ｓ ｉ ｓ　 ａｎｄ 　 ａｄｄ ｉ ｔ ｉｏｎ ａ ｌｅｑｕ ａ ｔ ｉｏｎ ｓ　 ａ ｒ ｅ　 ｇ ｅｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅｄ． Ｔｈ ｉ ｒｄ ｌｙ， ｔｈ ｅ 　 ｓａ ｔ－ ｓｏ ｌｖ ｅ ｒ 　 ｉ ｓ　 ａｄｏｐ ｔｅｄ 　 ｔｏ 　 ｒ ｅ ｃｏｖ ｅ ｒ 　 ｔｈ ｅ　 ｋ ｅｙ． Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉｍ ｅｎ ｔｒ ｅ ｓｕ ｌ ｔ ｓ 　 ｓｈｏｗ 　 ｔｈ ａ ｔ　 ＳＭＳ ４ｉ ｓ　 ｖｕ ｌｎ ｅ ｒ ａｂ ｌ ｅ 　 ｔｏ　 ＡＳＣＡ． Ｉｎ 　 ｔｈ ｅ　 ｋｎｏｗｎ－ｐ ｌ ａ ｉｎ ｔ ｅｘ ｔ 　 ｓ ｃ ｅｎ ａ ｒ ｉｏ，ｆｏｕ ｒ 　 ｒｏｕｎｄ ｓｃｏｎ ｓｅ ｃｕ ｔ ｉｖ ｅ　 ＨＷ 　 ｌ ｅ ａｋ ａｇ ｅ ｓ　 ｏ ｒ 　 ｔｗ ｅｎ ｔｙ－ ｓ ｉｘ 　 ｒｏｕｎｄ ｓ 　 ｒ ａｎｄｏｍ ｌ ｙ　 ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉｂｕ ｔ ｅｄ　 ＨＷ 　 ｌｅ ａｋ ａｇ ｅ ｓ 　 ｉｎ 　 ｔｗｏ 　 ｔ ｒ ａ ｃ ｅ ｓａ ｒ ｅ 　 ｅｎ ｏｕｇｈ 　 ｔｏ 　 ｒ ｅ ｃｏｖ ｅ ｒ 　 ｔｈ ｅ　 １２８ ｂ ｉ ｔ ｓ　 ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ　 ｋ ｅｙ． Ｉｎ 　 ｔｈ ｅ　 ｕｎｋｎ ｏｗｎ－ｐ ｌ ａ ｉｎ ｔ ｅｘ ｔ 　 ｓ ｃ ｅｎ ａ ｒ ｉｏ，ｔｈ ｅ　 ＨＷ 　 ｌ ｅ ａｋ ａ ｇ ｅ ｓｏ ｆ 　 ｔｈ ｅ 　 ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ 　 ｆ ｉｖ ｅ 　 ｒｏｕｎｄ ｓ 　 ｉｎ 　 ｔｗｏ 　 ｔ ｒ ａ ｃ ｅ ｓ　 ａ ｒ ｅ 　 ｅｎｏｕｇｈ 　 ｔｏ 　 ｒ ｅ ｃｏｖ ｅ ｒ 　 ｔｈ ｅ 　 ｆｕ ｌ ｌ　 ｋ ｅｙ． Ｗ ｅ 　 ａ ｌ ｓｏ 　 ｓｈｏｗ 　 ｔｈ ａ ｔ　 ＳＭＳ ４ｉｍｐ ｌ ｅｍ ｅｎ ｔ ｅｄ　 ｗ ｉ ｔｈ　 ｍ ａ ｓｋ ｉｎｇ 　 ｃｏｕｎ ｔ ｅ ｒｍ ｅ ａ ｓｕ ｒ ｅ ｓ 　 ｉ ｓ　 ａ ｌ ｓｏ　 ｖｕ ｌｎ ｅ ｒ ａｂ ｌ ｅ 　 ｔｏ　 ＡＳＣＡ． Ｉｎ　 ｋｎｏｗｎ－ｐ ｌ ａ ｉｎ ｔ ｅｘ ｔｓ ｃ ｅｎ ａ ｒ ｉ ｏ，ｔｈ ｅ　 ＨＷ 　 ｌ ｅ ａｋ ａ ｇ ｅ ｓ　 ｏ ｆ 　 １４ｒ ｏｕｎｄ ｓ 　 ｉｎ 　 ｔｗｏ 　 ｔ ｒ ａ ｃ ｅ ｓ　 ａ ｒ ｅ 　 ｅｎ ｏｕｇｈ 　 ｔｏ 　 ｒ ｅ ｃｏｖ ｅ ｒ 　 ｔｈ ｅ 　 ｆ ｕ ｌ ｌ　 ｋ ｅ ｙ． Ｔｏ 　 ｉｍｐ ｒ ｏｖ ｅｔｈ ｅ 　 ｆ ｅ ａ ｓ ｉｂ ｉ ｌ ｉ ｔｙ 　 ｏ ｆ 　 ｔｈ ｅ 　 ａ ｔ ｔ ａ ｃｋ，ａｎ 　 ｅ ｒ ｒｏ ｒ 　 ｔｏ ｌ ｅ ｒ ａｎ ｔ　 ＡＳＣＡ 　 ｉ ｓ　 ｐ ｒｏｐｏ ｓｅｄ． Ｔｈ ｅ　 ｍ ａ ｔ ｅ ｒ　 ｋ ｅｙ 　 ｏ ｆ　 ＳＭＳ ４ｃ ａｎ　 ｂｅｒ ｅ ｃｏｖ ｅ ｒ ｅｄ　 ｗ ｉ ｔｈ 　 ｔｈ ｅ 　 ｌ ｅ ａｋ ａｇ ｅ ｓ　 ｏ ｆ 　 ｔｈ ｅ 　 ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ 　 １０ｒｏｕｎｄ ｓ 　 ｉｎ 　 ｔｗｏ 　 ｔ ｒ ａ ｃ ｅ ｓ，ｅｖ ｅｎ　 ｗｈ ｅｎ 　 ｔｈ ｅ 　 ｅ ｒ ｒｏ ｒ 　 ｒ ａ ｔ ｅ　 ｏ ｆ　 ＨＷｄ ｅｄｕ ｃ ｔ ｉｏｎ ｓ 　 ｉ ｓ　 ６０％． Ｏｕ ｒ　 ｗｏ ｒｋ 　 ｃ ａｎ 　 ａ ｌ ｓｏ　 ｂｅ　 ｕ ｓｅｄ 　 ｔｏ　 ａ ｔ ｔ ａ ｃｋ　 ｏ ｔｈ ｅ ｒ　 ｂ ｌｏ ｃｋ－ ｃ ｉｐｈ ｅ ｒ ｓ．