[논문]차분 전력 분석 공격의 성능 향상을 위한 전처리 기법

이유석; 이유리; 이영준; 김형남

doi:10.13089/jkiisc.2010.20.4.109

차분 전력 분석 공격의 성능 향상을 위한 전처리 기법
A Pre-processing Technique for Performance Enhancement of the Differential Power Analysis Attack 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.20 no.4, 2010년, pp.109 - 115

이유석 (한국전자통신연구원) , 이유리 (부산대학교) , 이영준 (부산대학교) , 김형남 (부산대학교)

초록
AI-Helper

차분 전력 분석(Differential Power Analysis, DPA) 기법은 암호화 과정 중 발생하는 누설정보를 이용하는 효과적인 부채널 공격(side-channel attack, SCA) 종의 하나로 알려져 있다. 그러나 공격에 사용되는 누설 전력 신호에는 암호화와 관련이 없는 동작에 의해 야기된 전력 신호가 함께 포함되어 있으며, 이로 인해 공격의 효율성이 크게 저하된다. 따라서 본 논문에서는 차분 전력 분석 기법의 공격 성능을 향상시키기 위해, 측정된 전력 신호로부터 암호화 과정에 관련된 부분만을 추출하는 전처리 방법을 제안한다. 모의실험 결과를 통해 제안된 전처리 방법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 기존의 차분 전력 분석 공격에 비해 매우 적은 수의 누설 전력 신호만으로도 암호화 알고리즘에 사용된 비밀 키를 찾을 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Differential Power Analysis (DPA) is well known as one of efficient physical side-channel attack methods using leakage power consumption traces. However, since the power traces usually include the components irrelevant to the encryption, the efficiency of the DPA attack may be degraded. To enhance the performance of DPA, we introduce a pre-processing technique which extracts the encryption-related parts from the measured power consumption signals. Experimental results show that the DPA attack with the use of the proposed pre-processing method detects correct cipher keys with much smaller number of signals compared to that of the conventional DPA attack.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 기존의 차분 전력 분석 공격의 효율성을 향상시키기 위해, 측정된 전력 신호로부터 암호화 동작과 관련된 신호 파형만을 추출하는 전처리 방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 전처리 기법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 암호화 과정에 사용된 비밀 키를 추정하기 위해 필요한 전력 신호의 수를 크게 감소시켜 공격의 효율을 향상시켰다.
본 논문에서는 이러한 연구의 일환으로, 측정된 전력 신호 파형에서 암호화 동작과 직접적으로 관련된 부분의 파형만을 추출하여 이를 차분 전력 분석 공격에 적용하는 전처리 방법을 제안한다. 제안된 전처리 방법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 기존의 차분 전력 분석 공격에 비해 매우 적은 수의 전력 신호로도 '0'과 T 그룹들의 평균을 보다 정확하게 추정한다.
본 장에서는 암호화 알고리즘 중의 하나인 AES와차분 전력 분석을 통하여 AES 알고리즘에 사용된 비밀 키를 추정하는 과정에 대해 간략하게 살펴본다.

가설 설정

따라서 16개의 구간으로 나누어진 전력 신호에서 S-Box의 동작과 직접적으로 관련이 있는 전력 소비 부분만을 추출하여 이를 전력 분석 공격에 사용한다면. 공격의 효율을 크게 높일 수 있을 것이다.

제안 방법

제안된 전처리 기법을, 적용한 차분 전력 분석 공격의 성능을 평가하기 위해, 무선 센서 네트워크 장비 "mote 1\广로 AES 암호화 과정을 구동시켜 누설되는 전력 소비 신호를 측정하였다.〔표 1〕은 신호 측정 및 모의 실험에 사용된 각종 파라미터를 나타낸다.
1) 측정된 전력 신호의 파형을 육안으로 관찰하여, 16개의 각 S-box 치환 동작에 의한 구간 파형들로 구분한다.
측정된 전력 신호의 개수를 나타낸다. 각 공격 방법에 대해 필요한 전력 신호의 개수를 알아보기 위해 50개씩 전력 신호의 개수를 증가시켜 가며 모의실험을 반복 수행하였다. 공격이 성공한다는 것은 128 비트의 비밀 키를 모두 정확하게 추정하는 것을 의미한다.
반영하고 있음을 의미한다. 그러므로 S-Box 치환 동작과 관계있는 파형 구간만을 추출하기 위해 새로운 견본 파형을 생성하고 3단계로 돌아가 알고리즘을 계속 수행한다. 새로운 견본파형은 초기 견본 파형을 한 피크의 샘플 개수인 Lr 만큼 줄여가며 선정한다.
결과적으로 전력분석 공격의 효율이 떨어지게 된다. 따라서 16개의 구간으로 나누어진 전력 신호에서 S-Box의 동작과 직접적으로 관련이 있는 전력 소비 부분만을 추출하여 이를 전력 분석 공격에 사용한다면. 공격의 효율을 크게 높일 수 있을 것이다.
이를 위해 본 논문에서는 측정된 전력 신호에서 암호화에 의한 신호만을 추출하는 전처리 기법을 개발함으로써 차분 전력 분석 기법의 공격 효율성을 향상시키는 방법을 제안하였으며 그 과정은 [그림 3〕에 제시되어 있다. 제안된 전처리 기법에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.
전력 분석 공격은 전력 소비 모델과 측정된 전력 신호의 통계적 특성을 비교. 분석하여 암호화에 사용된 키를 찾아내는 강력한 부채널 공격 방법이다.
즉, 제안하는 전처리 기법은 구분된 구간 파형에 포함된 피크들이 암호화 과정에 직접적으로 관계된 피크인지 판단하여 그렇지 않을 경우, 각 피크들을 제외해 나가면서 S-box 치환동작과 정확하게 관계된 구간을 찾는다.
Kocher 등에 의해 제안된 차분 전력 분석 공격은 암호화 동작 시 저장되는 특정 비트의 값이 ”1"일 때의 소비 전력과 "0〃일 때의 소비 전력이 다르다는 가정을 이용하여 비밀 키를 찾아내는 방법이다. 차분 전력 분석 공격을 수행하기 위해 공격자는 M개의 평문에 대한 암호화를 수행하며 이때 발생하는 전력 소모를 각각 N개의 이산 샘플로 측정하여 저장한다. 그리고 공격자는 평문 …, 材와 추정 키 값(key hypothesis) 气를 입력으로 하는 선택 함수(selection function) D(4 , 气)의 결과 값을 기록한다.

성능/효과

5) 만약 16개의 피크를 검출할 수 없는 경우, 현재의 견본 파형이 S-Box 치환 동작과 직접적으로 관계없는 H/W 동작에 의한 전력 소비를 여전히 반영하고 있음을 의미한다. 그러므로 S-Box 치환 동작과 관계있는 파형 구간만을 추출하기 위해 새로운 견본 파형을 생성하고 3단계로 돌아가 알고리즘을 계속 수행한다.
효과적으로 줄일 수 없다. 그러나 제안된 전처리 기법을 적용한 차분 전력 분석 공격에서는 각 S-Box의 동작에 관계된 구간의 전력 신호만을 추출하여 사용하므로 적은 수의 전력 신호의 평균으로도 신호에 잔류하는 잡음 등의 성분을 제거해 줄 수 있어 , 암호화에 사용된 비밀 키를 보다 효과적으로 추정할 수 있다.
따라서 모든 128비트의 비밀 키를 정확하게 추정할 수 있어야 한다. 기존의 차분 전력 분석 공격은 4, 000개의 측정된 전력 신호를 모두 사용하더라도 각 S-Box의 비밀 키를 정확하게 찾을 수 없었던 반면, 제안된 전처리 기법을 적용한 차분 전력분석 공격 방법은 모든 S-Box에 대해서 매우 적은 수의 전력 신호를 사용하여 비밀 키를 찾을 수 있었다.
제안된 전처리 방법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 기존의 차분 전력 분석 공격에 비해 매우 적은 수의 전력 신호로도 '0'과 T 그룹들의 평균을 보다 정확하게 추정한다. 따라서 암호화 과정에 사용된 키를 보다 적은 수의 전력 신호로 정확하게 추정함으로써 , 기존 차분 전력 분석 공격의 효율을 향상시킨다.
〔표 1〕은 신호 측정 및 모의 실험에 사용된 각종 파라미터를 나타낸다. 본 논문에서 제안된 전처리 기법을 적용하여 얻은 최종 견본의 길이는 150샘플로서 , 이는 총 6, 880 샘플의 전체 전력 소모 파형을 육안으로 구분한 430 샘플로 이루어진 16개 구간 파형에서 각각 150 샘플만이 해당 S-box 치환동작과 직접적으로 관련되어 있다는 것을 의미한다. 제안된 전처리 기법이 적용된 전력 신호 파형은 [그림 4〕와 같다.
제안하였다. 본 논문에서 제안한 전처리 기법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 암호화 과정에 사용된 비밀 키를 추정하기 위해 필요한 전력 신호의 수를 크게 감소시켜 공격의 효율을 향상시켰다. 제안한 전처리 기법은 상관 전력 분석 (CPA) 공격 및 전자기 분석 공격에도 적용이 가능할 것으로 보이며 , 이에 대한 연구는 향후에 공격 성능 분석 및 대응 방안 연구를 중심으로 진행할 예정이다.
적용하는 전처리 방법을 제안한다. 제안된 전처리 방법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 기존의 차분 전력 분석 공격에 비해 매우 적은 수의 전력 신호로도 '0'과 T 그룹들의 평균을 보다 정확하게 추정한다. 따라서 암호화 과정에 사용된 키를 보다 적은 수의 전력 신호로 정확하게 추정함으로써 , 기존 차분 전력 분석 공격의 효율을 향상시킨다.

후속연구

이는 측정 신호의 고차 통계 특성을 이용한 잡음 감소 기법〔8〕 및 웨이블릿 (Wavelet) 기반의 잡음 제거 기법〔9〕 등에 의해 해결될 수 있다. 그러나 측정된 전력 신호에 반영되어 있는 암호화 과정과 무관한 전력 소모의 영향을 극복할 수 있는 방법에 대한 연구는 이루어지지 않아, 여전히 많은 수의 전력 신호가 실제 키를 추정하기 위해 요구된다.
본 논문에서 제안한 전처리 기법을 적용한 차분 전력 분석 공격은 암호화 과정에 사용된 비밀 키를 추정하기 위해 필요한 전력 신호의 수를 크게 감소시켜 공격의 효율을 향상시켰다. 제안한 전처리 기법은 상관 전력 분석 (CPA) 공격 및 전자기 분석 공격에도 적용이 가능할 것으로 보이며 , 이에 대한 연구는 향후에 공격 성능 분석 및 대응 방안 연구를 중심으로 진행할 예정이다.

참고문헌 (10)

S. Mangard, E. Oswald, and T.Popp, Power Analysis Attacks: Revealing the Secrets of Smart Cards, Springer Science + Business Media, LLC., 2007.
P. Kocher, J. Jaffe, and B. Jun, "Introduction to Differential Power Analysis and Related attacks," White Paper, Cryptography Research, http://www.cryptography.com/dpa/technical, 1998.
P. Kocher, "Timing Attacks on Implementations of Diffie-Hellman, RSA. DSS. and Other Systems," Advances in Cryptology-Crypto, 1996, LNCS 1109, pp. 104-113, 1996.
P. Kocher, J. Jaffe, and B. Jun, "Differential power analysis," CRYPTO 1999, LNCS 1666, pp. 388-397, 1999.
E. Brier, C. Clavier, and F. Olivier, "Correlation power analysis with a leakage model," CHES 2004, LNCS 3156, pp. 16-29, 2004.
J.J. Quisquater and D. Samyde, Electromagnetic Analysis (EMA): Measures and Countermeasures for Smart Cards, in Proceedings of e-Smart 2001.
K. Gandolfi, C. Mourtel, and F. Oliver, Electromagnetic Attacks: Concrete Results, in Proceedings of CHES 2001.
T.H. Le, J. Clediere, C. Serviere, and J.L. Lacoume, "Noise Re-duction in Side channel Attack Using Fourth-Order Cumulant," IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 2, no. 4, pp. 710-720, Dec. 2007.

상세보기
류정춘, 한동국, 김성경, 김희석, 김태현, 이상진, "웨이블릿 기반의 차분전력분석 기법 제안", 정보보호학회논문지, 19(3), pp.27-34, 2009년 6월.

원문보기 상세보기
Advanced Encryption Standard (AES), Federal Information Processing Standards Publication 197, 2001.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증