Análisis de consumo: SPA y DPA

El análisis de consumo mide la potencia eléctrica instantánea que consume un dispositivo durante las operaciones criptográficas. El consumo depende de los datos que se procesan y filtra bits de la clave secreta.

En SPA, se inspecciona visualmente una única traza de consumo. La exponenciación mediante square-and-multiply filtra el exponente: un paso de multiplicación tiene un perfil de consumo diferente al de un paso de cuadrado aislado.

DPA utiliza análisis estadístico sobre muchas trazas. El atacante fija una hipótesis para un único bit de la clave, divide las trazas según el valor intermedio previsto y busca un pico de correlación.

Una suposición fundamental es que el consumo de energía es proporcional al número de bits 1 (el peso de Hamming) del valor que se procesa. Esto se cumple bien en la lógica CMOS a bajas frecuencias.

CPA utiliza la correlación de Pearson entre el peso de Hamming previsto de un valor intermedio y el consumo medido en cada muestra temporal. La hipótesis correcta de la clave produce la correlación más alta.

Los investigadores utilizan una resistencia de detección de corriente en serie con el dispositivo objetivo y un osciloscopio o una placa ChipWhisperer para digitalizar la traza a 100 MS/s o más.

El objetivo es la primera ronda de AES: para cada uno de los 256 candidatos de byte de clave, se predice el peso de Hamming de la salida de SubBytes y se calcula su correlación con las trazas. El byte correcto se identifica claramente, con una correlación de aproximadamente 0.9 o superior.

Las implementaciones con enmascaramiento dividen cada valor intermedio en partes aleatorias. El DPA de segundo orden combina dos puntos temporales (la parte y la máscara) mediante una función de combinación basada en el producto o en la diferencia absoluta.

Los bits del exponente de la clave privada RSA se recuperan distinguiendo los patrones de consumo de solo cuadrado frente a los de cuadrado seguido de multiplicación en muchas trazas, mediante un ataque con mensajes elegidos.

La plataforma de código abierto ChipWhisperer proporciona hardware y software Python para capturar trazas, alinearlas y realizar CPA. Es compatible de forma inmediata con objetivos AES, RSA y ECC.

En el análisis de consumo por correlación, ¿qué distingue la hipótesis correcta de la clave de las incorrectas?

SPA lee visualmente una única traza; DPA utiliza estadísticas sobre muchas trazas. CPA utiliza la correlación de Pearson con un modelo de peso de Hamming. Entre las contramedidas se incluyen el enmascaramiento y las coordenadas proyectivas aleatorizadas para ECC.