SAKURA-G硬件侧信道分析实验套件

  侧信道分析理论与技术是密码工程学的重要知识点与科研方向,未来具有广阔的应用前景,目前高校、研究所、以及相关企事业单位对该研究领域广泛关注。北京数缘科技有限公司于2016年获得日本TROCHE有限责任公司授权,代理SAKURA-G硬件侧信道分析实验板。随后本公司在该实验板的基础上配备了FPGA下载器、滤波器、探头等必备硬件,以及明文发送、能量分析等必备的中文版软件,构成了SAKURA-G硬件侧信道分析实验套件。套件可以任意方式实现任意密码算法的硬件电路,并对其进行计时分析、能量分析、电磁分析等实验,同时还提供了针对AES算法的中间值泄露分析、相关能量分析的示例源代码。该套件的主要部件如下:
  (1)日本原厂提供的部件
  > SAKURA-G开发板1块
  > USB-B数据线1根
  > 外接电源线1根、螺丝螺母若干
  (2)数缘科技提供的部件
  > 美国原装进口低通滤波器1个
  > 国产Xilinx下载器1套(含下载器1个、排线转接头1个、排线2根、USB-B数据线1根)
  > 国产高阻探头1个
  > 国产SMA转BNC线1根
  > 示例程序光盘1张

图1 SAKURA-G开发板功能图


图2 SAKURA-G硬件侧信道分析实验套件实物图

  SAKURA-G官方网站提供了一例AES算法硬件实现电路,共采用10个时钟完成AES算法的10轮加密迭代运算,同时还提供了控制USB接口为该AES电路发送明文、密钥,并返回密文的程序。数缘科技在该程序基础上增加了自动保存明密文、发送掩码等功能,并进行了汉化,形成了数缘科技分组密码算法控制软件。在将PC、开发板、示波器连接后,通过明文发送程序来驱动FPGA板上的AES进行加密,示波器可清晰采集到11组尖峰,分别对应第0轮(异或白密钥)到第10轮的轮运算。

图3 明文发送控制软件与AES硬件电路能量波形

  北京数缘科技有限公司针对SAKURA-G官方提供的AES硬件电路,基于MATLAB自主设计实现了泄露分析与相关能量分析程序。该程序可对读入的能量波形执行预处理、波形显示、泄露分析、相关能量分析等操作。实验表明,在SAKURA-G硬件侧信道分析实验套件的实现环境下,只需要采集1000条能量波形,即可以很高的概率正确恢复出密钥。

图4 数缘科技自主开发的示例程序对AES的能量分析结果(正确密钥字节为0x01)