[密码学基础][每个信息安全博士生应该知道的52件事][Bristol52]43 为AES 对抗侧信道攻击的防御

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-10-15 14:57 128阅读 0赞

> 这是一系列博客文章中最新的一篇，该文章列举了“每个博士生在做密码学时应该知道的52件事”:一系列问题的汇编是为了让博士生们在第一年结束时知道些什么。

## 为AES描述一些基础的（可能无效）的对抗侧信道攻击的防御 ##

### 侧信道防御：为什么 ###

对于一个现代的严肃的密码学方案，我们一般需要某种形式的安全证明。在AES中，我们认为如果攻击者不知道密钥，那么它就是一个随机排列。然而如果攻击者有侧信道信息，这可能不再安全。因此，我们能做什么防御它呢？理想的，我们可以创建一个完全不受侧信道攻击影响的实现，然而，然而，这实际上意味着实现必须完全隔离，绝对没有输出流——这使得它相当没有意义!

也许我们可以确保，无论我们做什么，AES实现是否通过侧信道泄漏信息都无关紧要?这就引出了泄漏弹性密码学(leakage resilient cryptography)领域，这确实是一个非常强的安全需求。在这些条件下(这种情况很少)安全的方案往往比那些避免(/忽略)问题的方案效率低得多。由于在设计中必须始终进行权衡，因此在实践中，我们倾向于使用假定AES不泄漏任何信息的方案，并将它们与包含防御一些更简单的侧通道攻击的实现相结合。这样做的目的是将攻击成本比安全信息的价值更高，这样(即使他们可以做到)就没有敌人会攻击这个系统，因为它不再可行了。

### 一些基本的防御 ###

因此，考虑到这一点，让我们考虑一些基本的防御措施，以抵御一些不太复杂的侧通道攻击。正如问题中所指出的，这些技术可能很容易被忽略，所以请将本文视为解释一般概念，而不是提供任何明智的建议!

#### 时间攻击 ####

**弱点：**  
一些实现的运行时间取决于它们的输入。因此，通过通过观察系统需要多长时间来响应，可以了解到一些关于键/输入的信息。  
**防御：**  
常数时间实现。就像标题所说的，最好的对抗时间防御的方法就是确保实现需要花费常数时间运行，同时如今的大多数实现都是常数时间的。这可能在硬件上不是很难，但是在软件上却很难，因为微代码（内部处理器的程序）通常是商业机密。

#### 功率分析（DPA，SPA） ####

**弱点：**  
一些实现的功耗与关键材料相关，这通常是由于存储值时的汉明距离。更多信息，请阅读两周前的博客。  
**防御1：**  
掩码不是直接使用AES Sbox，而是将掩码应用于输入值，并在掩码Sbox中查找它(实际上，Sbox的值被重新排序以适应掩码)。然后，尽管攻击者可能能够检测到某些内部变量之间的关联，但这些变量都是隐藏的，并且不像以前那样(直接)对应于关键材料。更复杂的掩蔽方案实例化起来会更复杂，但是会导致更好的攻击抵抗力。  
**防御2：**  
在进行功率分析攻击时，攻击者使用他们知道AES方案内部结构的事实。如果我们在我们的实现中打乱s盒的顺序(通过一些秘密排列)，对手将不知道他们的读数如何与内部关键材料相对应。另一种变体是故意使用非决定论，允许处理器自行对某些指令集合重新排序。

#### 缓存流 ####

**弱点:**  
如果适当的单元已经在处理器缓存中，那么使用查找表(例如SBox)的mplem朝向的效率将会提高或降低。通过将大部分查找表推出缓存，攻击者可以观察是否调用了适当的单元格，从而泄漏信息。如果可以观察到加载缓存的成本，也可以观察到定时攻击或功率分析。  
**防御:**  
不要对秘密数据使用查询表!这个列表中最简单的防御方法——如果您不想泄漏使用了哪些查找条目的信息，那么就不要使用查找表。对于AES，这是合理的，因为AES Sbox实际上可以作为输入字节上的一个简单函数来计算。这对于(例如)没有这种结构的DES Sbox就不太实用。