การวิเคราะห์กำลังไฟฟ้า: SPA และ DPA

การวิเคราะห์กำลังไฟฟ้า วัดกำลังไฟฟ้าทันทีที่อุปกรณ์ใช้ระหว่างการดำเนินการเข้ารหัสลับ การใช้กำลังไฟฟ้าขึ้นอยู่กับข้อมูลที่กำลังประมวลผล จึงอาจรั่วไหลบิตของกุญแจลับได้

ในการวิเคราะห์แบบ SPA จะตรวจสอบร่องรอยกำลังไฟฟ้าเพียงร่องรอยเดียวด้วยสายตา การยกกำลังแบบยกกำลังสองและคูณจะเปิดเผยเลขชี้กำลัง เนื่องจากขั้นตอนการคูณมีรูปแบบการใช้กำลังไฟฟ้าแตกต่างจากขั้นตอนการยกกำลังสองเพียงอย่างเดียว

DPA ใช้การวิเคราะห์ทางสถิติกับร่องรอยจำนวนมาก ผู้โจมตีกำหนดสมมติฐานบิตคีย์หนึ่งค่า แบ่งร่องรอยตามค่ากลางที่คาดการณ์ไว้ แล้วค้นหาจุดพุ่งของสหสัมพันธ์

สมมติฐานสำคัญคือ การใช้กำลังไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับจำนวนบิต 1 หรือน้ำหนักแฮมมิงของค่าที่กำลังประมวลผล สมมติฐานนี้ใช้ได้ดีสำหรับลอจิก CMOS ที่ความถี่ต่ำ

CPA ใช้สหสัมพันธ์ของ Pearson ระหว่างน้ำหนักแฮมมิงที่คาดการณ์ของค่ากลางกับกำลังไฟฟ้าที่วัดได้ในแต่ละตัวอย่างเวลา สมมติฐานกุญแจที่ถูกต้องจะให้ค่าสหสัมพันธ์สูงที่สุด

นักวิจัยใช้ตัวต้านทานตรวจจับกระแสต่ออนุกรมกับอุปกรณ์เป้าหมาย และใช้ออสซิลโลสโคปหรือบอร์ด ChipWhisperer เพื่อแปลงร่องรอยเป็นข้อมูลดิจิทัลด้วยอัตรา 100 MS/s หรือสูงกว่า

มุ่งเป้าไปที่รอบแรกของ AES: สำหรับตัวเลือกไบต์คีย์ทั้ง 256 ค่า ให้คาดการณ์น้ำหนักแฮมมิงของเอาต์พุต SubBytes แล้วหาสหสัมพันธ์กับร่องรอย ไบต์ที่ถูกต้องจะโดดเด่นด้วยค่าสหสัมพันธ์ประมาณ 0.9 ขึ้นไป

การใช้งานที่มีการปิดบังจะแบ่งค่ากลางแต่ละค่าออกเป็นส่วนแบ่งสุ่ม DPA ลำดับที่สองรวมจุดเวลาสองจุด (ส่วนแบ่งและค่าอำพราง) โดยใช้ฟังก์ชันรวมแบบผลคูณหรือผลต่างสัมบูรณ์

บิตเลขชี้กำลังของกุญแจส่วนตัว RSA สามารถกู้คืนได้โดยแยกรูปแบบกำลังไฟฟ้าระหว่างการยกกำลังสองอย่างเดียวกับการยกกำลังสองแล้วคูณ จากร่องรอยจำนวนมากโดยใช้การโจมตีด้วยข้อความที่เลือก

แพลตฟอร์มโอเพนซอร์ส ChipWhisperer มีฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ Python สำหรับการเก็บข้อมูล การจัดแนวร่องรอย และ CPA พร้อมรองรับเป้าหมาย AES, RSA และ ECC ได้ทันที

SPA อ่านร่องรอยเดียวด้วยสายตา ส่วน DPA ใช้สถิติกับร่องรอยจำนวนมาก CPA ใช้สหสัมพันธ์ของ Pearson ร่วมกับแบบจำลองน้ำหนักแฮมมิง มาตรการรับมือรวมถึงการปิดบังและพิกัดโปรเจกทีฟแบบสุ่มสำหรับ ECC