[논문]전력 분석에 안전한 AES에 대한 새로운 종류의 충돌쌍 공격

김희석; 박학수; 홍석희

doi:10.3745/ktccs.2013.2.9.393

전력 분석에 안전한 AES에 대한 새로운 종류의 충돌쌍 공격
New Type of Collision Attack on Power-Analysis Resistant AES 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on computer and communication systems 컴퓨터 및 통신 시스템, v.2 no.9, 2013년, pp.393 - 398

김희석 (한국과학기술정보연구원 과학기술정보보호실) , 박학수 (한국과학기술정보연구원 과학기술정보보호실) , 홍석희 (고려대학교 정보보호대학원)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 일차 전력 분석에 안전한 AES의 마스킹 기법을 분석할 수 있는 새로운 충돌쌍 공격을 제안한다. 제안하는 충돌쌍 공격은 기존 충돌쌍 공격의 단점인 선택 평문 공격의 단점을 극복하고 기지 평문 공격이 가능하도록 구성되어진다. 또한 제안하는 분석기법은 이차 전력분석보다 효율적이며 최근 제안된 충돌쌍 공격에 요구되는 파형 개수에 비해 약 1/27.5배의 파형만을 요구한다. 논문에 포함된 실험 결과들은 이러한 사실을 뒷받침한다. 본 논문에서는 또한 새로운 분석 기법과 함께 이 방법을 방어할 수 있는 간단한 대응방법을 소개하도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a new collision attack on first-order masked AES. This attack is a known plaintext attack, while the existing collision attacks are a chosen plaintext attack. In addition, our method is more efficient than the second-order power analysis and requires about 1/27.5 power measurements by comparison with the last collision attack. Some experiment results of this paper support this fact. In this paper, we also introduce a simple countermeasure, which can protect against our attack.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

사실, 이차 전력 분석 시에 없던 이러한 제약은 선택 평문 공격이 불가능한 특정 환경에서 공격자의 이러한 분석을 불가능하게 할 수 있다. 본 논문에서는 두 S-box 연산 사이의 충돌이 아닌 하나의 S-box 연산과 마스킹 테이블 생성 시 소비되는 전력 간의 충돌쌍을 이용한 새로운 종류의 충돌 쌍 공격을 제안한다. 본 논문의 방법은 공격자가 평문을 선택할 필요가 없으며 기존 충돌 쌍 공격에 비해 훨씬 적은 량의 파형 개수를 필요로 한다.
본 논문에서는 새로운 종류의 충돌쌍 공격을 제안한다. 제안하는 공격은 기존 충돌쌍 공격의 최대 단점인 선택 평문 공격(Chosen-Plaintext Attack)[18]이 아닌 기지 평문 공격(Known-Plaintext Attack)[18]의 형태이다.
본 논문에서는 일차 전력 분석에 안전한 AES의 마스킹 기법에 대한 새로운 충돌쌍 공격을 제안하였다. 제안하는 분석 기법은 기존의 충돌쌍 공격의 최대 단점인 선택 평문 공격을 기지 평문 공격으로 변화시켰다.

가설 설정

또한 이 두 시점에서의 노이즈 값 Ni는 가우시안 분포 (0, σ2)를 따른다고 가정하였으며 사용되는 평문은 랜덤하게 매번 생성하였다.
한편, 제안하는 충돌 쌍 공격은 마스킹 테이블 생성 시 소비되는 전력파형을 이용하여야 한다. 본 논문에서는 많은 논문들에서 기술된 Algorithm 3을 이용해 마스킹 테이블이 생성되었다고 가정한다. 이 때 연산되는 S(u)⊕m′(0 ≤ u ≤ 255)에 의해 소비된 전력 파형과 S-box 출력 값에 의해 소비된 전력파형 S_x를 다음과 같이 정의한다.
위의 식에서도 N(u)와 Nx의 노이즈는 가우시안 분포 (0, σ2)를 따른다고 가정하였다.

제안 방법

4. 암호 연산 시 첫 번째 S-box 연산 S(pi0⊕k0)⊕m′의 전력 소비 Si0와 SSij′과의 충돌을 조사.
본 논문에서는 기존의 충돌쌍 공격과 직접적인 실험 결과를 비교하지는 않았다. 이는 기존 충돌쌍 공격들이 임의의 평문을 사용할 수 있는 분석법이 아니기 때문이다.
본 논문에서는 두 S-box 연산 사이의 충돌이 아닌 하나의 S-box 연산과 마스킹 테이블 생성 시 소비되는 전력 간의 충돌쌍을 이용한 새로운 종류의 충돌 쌍 공격을 제안한다. 본 논문의 방법은 공격자가 평문을 선택할 필요가 없으며 기존 충돌 쌍 공격에 비해 훨씬 적은 량의 파형 개수를 필요로 한다.
본 절에서는 Message가 제안한 전력 소비 모델[19]을 이용해 새로운 충돌쌍 공격의 성능을 이차 전력 분석과 비교한다. 앞에서 설명한 바와 같이 이차 전력 분석은 다음의두 시점에서의 전력 소비를 이용한다.
또한 기존 방법보다 요구되어지는 전력 파형 개수를 대폭 감소시킨다. 이 목적을 달성하기 위해 본 논문에서는 두 마스킹 S-box의 출력 사이의 충돌쌍을 찾았던 기존 분석과 달리 하나의 S-box 출력과 마스킹 S-box 생성 시 나타나는 중간 값들 사이의 충돌쌍을 이용한다. 제안 기법의 성능의 우수성을 증명하기 위해 본 논문에서는 Message의 전력 소비 모델[19]에 기반한 시뮬레이션 결과를 보인다.
본 논문에서는 새로운 종류의 충돌쌍 공격을 제안한다. 제안하는 공격은 기존 충돌쌍 공격의 최대 단점인 선택 평문 공격(Chosen-Plaintext Attack)[18]이 아닌 기지 평문 공격(Known-Plaintext Attack)[18]의 형태이다. 이는 선택 평문 공격이 불가능한 환경, 즉 평문이 임의의 난수로 선택되어지는 환경에서 유용하게 사용되어질 수 있다.
본 논문에서는 일차 전력 분석에 안전한 AES의 마스킹 기법에 대한 새로운 충돌쌍 공격을 제안하였다. 제안하는 분석 기법은 기존의 충돌쌍 공격의 최대 단점인 선택 평문 공격을 기지 평문 공격으로 변화시켰다. 또한 본 논문에서는 제안하는 충돌쌍 공격 기법이 기존 충돌쌍 공격과 이차전력 분석 공격보다 상당히 소수의 전력 파형을 요구하는 것을 실험적으로 증명하였다.
)를 따른다고 가정하였으며 사용되는 평문은 랜덤하게 매번 생성하였다. 한편, 제안하는 충돌 쌍 공격은 마스킹 테이블 생성 시 소비되는 전력파형을 이용하여야 한다. 본 논문에서는 많은 논문들에서 기술된 Algorithm 3을 이용해 마스킹 테이블이 생성되었다고 가정한다.

이론/모형

본 논문에서는 σ/ε이 1인 경우와 2인 두 가지 경우에 대해 [13]의 방법을 따라 실험을 수행하였다.

성능/효과

제안하는 분석 기법은 기존의 충돌쌍 공격의 최대 단점인 선택 평문 공격을 기지 평문 공격으로 변화시켰다. 또한 본 논문에서는 제안하는 충돌쌍 공격 기법이 기존 충돌쌍 공격과 이차전력 분석 공격보다 상당히 소수의 전력 파형을 요구하는 것을 실험적으로 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마스킹 대응법은 무엇에 대한 대응 방법인가?	수학적으로 안전한 것으로 알려진 알고리즘조차도 구현 단계에서 고려되지 못한 부가적인 정보의 누출이 있다는 것이 알려졌고, 이로부터 비밀 키의 값을 알아낼 수 있는 부채널 공격(Side Channel Attack)이 소개되었다[1]. 이러한 부채널 공격이 소개되면서 많은 암호시스템 설계자들은 효율적인 대응법들을 연구하기 시작했고, 부채널 공격 중 하나인 차분 전력 분석(Differential Power Analysis, DPA)[1] 에 대한 대응법으로는 마스킹 대응법(masking method)이 활발히 연구되어지고 있다[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. 하지만 이러한 마스킹 대응법은 암호 연산 시, 임의의 두 중간 값이 같은 마스킹 값을 사용했을 경우 분석이 가능한 것으로 알려져 있으며 이러한 분석 기법을 이차 전력 분석이라 한다[9].
	기존 선택 평문 공격과 비교해 기지 평문 공격의 이점은?	제안하는 공격은 기존 충돌쌍 공격의 최대 단점인 선택 평문 공격(Chosen-Plaintext Attack)[18]이 아닌 기지 평문 공격(Known-Plaintext Attack)[18]의 형태이다. 이는 선택 평문 공격이 불가능한 환경, 즉 평문이 임의의 난수로 선택되어지는 환경에서 유용하게 사용되어질 수 있다. 또한 기존 방법보다 요구되어지는 전력 파형 개수를 대폭 감소시킨다. 이 목적을 달성하기 위해 본 논문에서는 두 마스킹 S-box 의 출력 사이의 충돌쌍을 찾았던 기존 분석과 달리 하나의 S-box 출력과 마스킹 S-box 생성 시 나타나는 중간 값들 사이의 충돌쌍을 이용한다.
	이차 전력 분석이란?	수학적으로 안전한 것으로 알려진 알고리즘조차도 구현 단계에서 고려되지 못한 부가적인 정보의 누출이 있다는 것이 알려졌고, 이로부터 비밀 키의 값을 알아낼 수 있는 부채널 공격(Side Channel Attack)이 소개되었다[1]. 이러한 부채널 공격이 소개되면서 많은 암호시스템 설계자들은 효율적인 대응법들을 연구하기 시작했고, 부채널 공격 중 하나인 차분 전력 분석(Differential Power Analysis, DPA)[1] 에 대한 대응법으로는 마스킹 대응법(masking method)이 활발히 연구되어지고 있다[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. 하지만 이러한 마스킹 대응법은 암호 연산 시, 임의의 두 중간 값이 같은 마스킹 값을 사용했을 경우 분석이 가능한 것으로 알려져 있으며 이러한 분석 기법을 이차 전력 분석이라 한다[9]. 이차 전력 분석이 처음 소개된 이후로, 최근 이차 전력 분석의 성능 향상을 위한 연구가 활발히 진행되어지고 있다[10, 11, 12, 13].

참고문헌 (20)

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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].

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