تحليل الطاقة: SPA وDPA

تحليل الطاقة يقيس الطاقة الكهربائية اللحظية التي يستهلكها الجهاز أثناء العمليات التشفيرية. ويعتمد استهلاك الطاقة على البيانات التي تتم معالجتها، مما يسرّب بتات من المفتاح السري.

في SPA، تُفحص مسحة طاقة واحدة بصريًا. وتكشف عملية الأسّ بالتربيع والضرب الأسَّ: إذ يملك الضرب ملف طاقة مختلفًا عن التربيع وحده.

يستخدم DPA التحليل الإحصائي عبر العديد من مسحات الطاقة. يثبت المهاجم فرضية واحدة لبت من المفتاح، ويقسم المسحات وفق القيمة الوسيطة المتوقعة، ثم يبحث عن ارتفاع في الارتباط.

الافتراض الأساسي هو أن استهلاك الطاقة يتناسب مع عدد البتات التي تساوي 1 (وزن هامِنغ) في القيمة قيد المعالجة. ويصح ذلك بدرجة جيدة في المنطق CMOS عند الترددات المنخفضة.

يستخدم CPA ارتباط Pearson بين وزن هامِنغ المتوقع لقيمة وسيطة والطاقة المقاسة عند كل عينة زمنية. وتعطي فرضية المفتاح الصحيحة أعلى قيمة ارتباط.

يستخدم الباحثون مقاومة لاستشعار التيار موصولة على التوالي مع الجهاز المستهدف، إلى جانب راسم ذبذبات أو لوحة ChipWhisperer، لرقمنة المسحة بمعدل 100 MS/s أو أعلى.

استهدف الجولة الأولى من AES: وبالنسبة إلى كل مرشح من مرشحات بايت المفتاح البالغ عددها 256، توقّع وزن هامِنغ لناتج SubBytes واربطه بالمسحات. ويظهر البايت الصحيح بوضوح عند قيمة ارتباط تقارب 0.9 أو أعلى.

تقسم التطبيقات المقنّعة كل قيمة وسيطة إلى حصص عشوائية. ويجمع DPA من الرتبة الثانية نقطتين زمنيتين (الحصة والقناع) باستخدام دالة تجميع تعتمد على حاصل الضرب أو الفرق المطلق.

تُستعاد بتات أسّ المفتاح الخاص في RSA من خلال التمييز بين أنماط الطاقة الخاصة بالتربيع وحده والتربيع المتبوع بالضرب عبر العديد من المسحات، باستخدام هجوم برسالة مختارة.

توفر منصة ChipWhisperer مفتوحة المصدر أجهزة وبرمجيات Python لالتقاط المسحات ومحاذاتها وإجراء CPA. وهي تدعم أهداف AES وRSA وECC مباشرةً.

يقرأ SPA مسحة واحدة بصريًا، بينما يستخدم DPA الإحصاءات عبر العديد من المسحات. ويستخدم CPA ارتباط Pearson مع نموذج وزن هامِنغ. وتشمل التدابير المضادة التقنيع والإحداثيات الإسقاطية العشوائية لـ ECC.