[논문]OP-Amp를 적용한 향상된 부채널 전력분석 방법

김진배; 지재덕; 조종원; 김민구; 한동국

doi:10.13089/jkiisc.2015.25.3.509

OP-Amp를 적용한 향상된 부채널 전력분석 방법
An Improved Side Channel Power Analysis with OP-Amp 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.25 no.3, 2015년, pp.509 - 517

김진배 (한국기계전기전자시험연구원) , 지재덕 (한국기계전기전자시험연구원) , 조종원 (한국기계전기전자시험연구원) , 김민구 (한국기계전기전자시험연구원) , 한동국 (국민대학교)

초록
AI-Helper

전력소비를 이용한 부채널 분석은 Chip 기반의 보안디바이스의 키를 해독하는 효과적인 방법으로 알려져 있다. 기존의 전력소비정보는 저항의 직렬연결을 이용한 전압분배 방식을 사용한다. 이 방법은 디바이스에 인가되는 전압의 크기에 종속적이며. 그 크기가 작은 경우 노이즈의 영향을 크게 받아 신호 왜곡이 발생되고, 일부 신호 손실이 발생된다. 이와 같은 이유는 부채널 분석의 성능을 저하 시킨다. 본 논문에서는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 적용하여 전력소비 정보를 계측함으로써 부채널 분석의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제시한다. OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 사용하여 전력소비 정보에 포함되는 노이즈의 영향을 줄일 수 있다. 따라서 부채널 분석의 성능을 향상됨을 실험을 통해 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Side Channel Analysis of applying the power-consumption was known as effective method to analyze the key of security device based on chip. The precedential information of power-consumption was measured by the voltage distribution method using by series connection of resistor. This method was dependent on the strength of the voltage. If the voltage cannot be acquired much information which is involved with the key, the information of power-consumption significantly might be influenced by noise. If so, some of the information of power-consumption might be lost and distorted. Then, this loss can reduce the performance of the analysis. For the first time, this paper will be introduced the better way of the improvement with using the method of Current to Voltage Converter with OP-Amp. The suggested method can reduce the effect of the noise which is included in the side channel information. Therefore we can verify the result of our experiments which is provided with the improvement of the performance of side channel analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 적용하여 보안디바이스에서 소비되는 전력 정보를 측정하는 방법을 소개 하였다. OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 기존의 전압강하 방법을 사용하여 수집된 정보에 대한 부채널 분석보다 성능이 향상된다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
이러한 한계점을 개선하고자 본 논문에서는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 사용하여 측정할 수 있는 전압의 범위를 증폭시켜, 노이즈 신호가 제거된 것과 같은 효율을 가지는 전력소비정보를 측정하는 방법을 제안하고자 한다.

가설 설정

이 경우 V_in이 변하지 않는 고정된 값, 즉, 보안 디바이스에 공급되는 전압이고 R₁은 보안디바이스가 될 것이다. 보안디바이스의 동작에 의해 R₁는 가변적일 것이다. 따라서 전압증폭의 개념으로만 해석하기는 다소 거리가 있다.

제안 방법

Table. 1은 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식과 저항분압방식을 사용한 파형을 실험환경에 따라 각 20,000개씩 수집하여 CPA분석을 수행한 것이다.
본 논문에서 제안하는 방법은 입력전압을 증폭하는 것이 아닌, OP-Amp의 반전입력단의 저항 자리에 보안디바이스를 위치시킴으로써 전류를 전압으로 변환 하는 방식을 사용하였다. 아래 Fig.
본 장에서는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환 방식으로 계측한 전력소비정보와 저항분압방식으로 계측한 소비전력을 대조군으로 부채널 분석에 대한 성능을 실험하였다.
수집된 파형은 파형에 대한 정렬과 파형압축(250MS/s →25MS/s) 전처리 기법을 동일하게 적용하여 후처리 하였다.

대상 데이터

CPA 분석지점은 ARIA 암호알고리즘 1 Round 치환계층의 출력값을 대상으로 하였다.
4에 사용되는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 출력되는 전압이 반전되기 때문에 단전원 OP-Amp가 아닌 추가적으로 음전원을 생성하여 OP-Amp에 공급할 수 있는 회로를 필요로 한다. 본 실험에서는 -12V까지 보드 내에서 자체적으로 생성하여 공급할 수 있는 회로를 구성하였다. OP-Amp를 통해 출력될 수 있는 전압은 OP-Amp 칩에 공급되는+전원과 -전원의 범위 내에서만 가능하다.
본 실험에서는 200MHz급 ±16V 지원가능 칩을 적용했다.
소비전력을 계측하기 위해 Oscilloscope의 Sampling rate를 250MS/s로 설정하였으며, 파형을 각각 20,000개씩 수집하였다. 수집된 파형은 파형에 대한 정렬과 파형압축(250MS/s →25MS/s) 전처리 기법을 동일하게 적용하여 후처리 하였다.
실험 환경은 ARIA 알고리즘이 포팅된 스마트카드와 스마트카드로부터 소비전력을 계측하기 위한 계측보드 계측된 파형을 디지털 정보로 변환하기 위한 Oscilloscope(LeCroy 610Zi), 변환된 파형을 수집하고 스마트카드를 동작시키기 위한 APDU를 전송하는 PC로 구성하였다.

이론/모형

가장 쉽게 접근할 수 있는 방법은 키르히호프의 전압법칙을 이용하는 것이다. 보안디바이스의 전원 입력 또는 출력단에 계측을 위한 추가적인 저항을 삽입하면 키르히호프의 전압법칙에 의해 전력의 변화 즉 전류의 변화를 전압의 변화로 계측할 수 있다.
전력량은 보안디바이스에 인가된 전압 V 와 전류I 을 측정하여 다음의 옴의 법칙을 이용하여 계산할 수 있다.
추가된 저항에서의 전압값을 측정하여 보안디바이스에서 사용하는 전력량을 간접적으로 계산할 수 있다. 전압값은 전류I 와 저항R 을 이용하여 옴의 법칙을 통해 계산할 수 있다. 옴의 법칙은 다음과 같다.

성능/효과

이것은 Table. 1에서 저항분압방식 분석결과에서 Key에 대한 ratio가 가장 높은 것이 10번째, 15번째 Key로 1.17이고 가장 낮은 것이 9번째 Key로 0.75이듯이, OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식에서는 가장 높은 ratio가 2번째 Key로 2.59이고 가장 낮은 것이 15번째 Key로 1.12이다. 즉, 저항분압방식에서 분석된 Key 중 가장 높은 ratio가 나온 부분과 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식에서 분석된 Key 중 가장 낮은 ratio가 비교된 것이다.
를 통해 (a)는 확산 계층의 16번 연산의 구분이 명확하지 않은 것을 확인할 수 있는 반면, (b)는 16번의 연산이 명확하게 구분되는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 6, 7, 8을 통해 저항분압방식보다 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 사용한 방법이 파형을 더 명확하게 구분하는 것을 확인 함으로써, OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 적용한 전력소비정보에 대해 SPA 분석을 시도하는 것이 더 효율적이라고 할 수 있다.
본 논문에서는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 적용하여 보안디바이스에서 소비되는 전력 정보를 측정하는 방법을 소개 하였다. OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 기존의 전압강하 방법을 사용하여 수집된 정보에 대한 부채널 분석보다 성능이 향상된다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 전압을 증폭시켜 저항분압방식 보다 전력 신호의 왜곡이나 손실 등에 영향을 덜 받으며, 전력 분석인 SPA와 CPA의 성능을 향상시키는 것 또한 확인할 수 있 었다.
OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 기존의 전압강하 방법을 사용하여 수집된 정보에 대한 부채널 분석보다 성능이 향상된다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 전압을 증폭시켜 저항분압방식 보다 전력 신호의 왜곡이나 손실 등에 영향을 덜 받으며, 전력 분석인 SPA와 CPA의 성능을 향상시키는 것 또한 확인할 수 있 었다.
따라서, 기존의 계측방법보다 높은 효율의 부채널 분석 성능을 가지는 전력소비정보를 계측한다고 할수 있다. Ⅳ에서는 OP-Amp와 기존 방법을 사용하여 계측된 파형을 분석함으로써 제안한 방법이 부채널 분석 성능을 향상시켰음을 보일 것이다.
저항분압방식으로 수집된 전력소비정보에 대한 CPA 결과를 보면 16개의 ARIA 1 Round 부분키 중에서 6개의 키만을 분석해 낼 수 있었다. 반면, 본 논문에서 제안한 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환 방식을 적용하여 수집한 전력소비정보에 대한 CPA 결과를 보면, 16개의 키 모두 분석에 성공하였다.
본 논문에서 제안한 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식은 소비전력의 변화가 계측되는 전압으로 선형적으로 대응하여 보안디바이스의 소비전력의 크기에 따라 영향을 받지 않고 전압의 증폭도 OP-Amp에 공급되는 전압의 범위내에서 충분히 증폭시킬 수 있어 미세한 소비전력의 변화도 계측가능하고 외부적인 장비에 의한 노이즈의 영향을 거의 받지 않는다고 할 수 있다. 따라서, 기존의 계측방법보다 높은 효율의 부채널 분석 성능을 가지는 전력소비정보를 계측한다고 할수 있다.
Ⅳ장에서는 Ⅲ장에서 설명한 OP-Amp의 특징을 실험하기 위해서 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 통해 수집된 파형과 저항분압방식을 통해 수집된 파형을 비교, 분석한다. 이를 통해 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식을 사용해 수집된 파형의 분석효율이 높은 것을 검증한다. 마지막 Ⅴ장에서는 실험 결과를 토대로 제시된 방법의 효용성에 대해 논한다.
저항분압방식으로 수집된 전력소비정보에 대한 CPA 결과를 보면 16개의 ARIA 1 Round 부분키 중에서 6개의 키만을 분석해 낼 수 있었다. 반면, 본 논문에서 제안한 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환 방식을 적용하여 수집한 전력소비정보에 대한 CPA 결과를 보면, 16개의 키 모두 분석에 성공하였다.

후속연구

OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식이 적용된 계측장비를 통해 파형을 수집하는 것은 기존의 방법보다 더 향상된 결과를 가져올 수 있다는 것을 확인한 것이며, 이는 전력분석 공격에 대한 전반적인 분석효율의 향상을 기대할 수 있다고 생각된다.
향후, ARIA만이 아닌 공개키 알고리즘 등 다양한 암호 알고리즘의 분석과 대응법이 적용된 알고리즘에 대해서도 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환 방식이 적용된 계측장비의 효율을 연구할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OP-Amp는 무엇인가?	OP-Amp는 아날로그 계산기용으로 개발되어, 증폭회로, 비교 회로 등 아날로그 전자회로에서 널리 쓰이고 있으며, 고성능 범용 증폭기이다. OP-Amp는 저항을 추가하여도 전압강하 현상이 일어나지 않은 특징을 가지기 때문에 측정 할 수 있는 전압의 범위가 증폭된다.
	OP-Amp에서 측정 할 수 있는 전압의 범위가 증폭 될 수 있는 이유는 무엇인가?	OP-Amp는 아날로그 계산기용으로 개발되어, 증폭회로, 비교 회로 등 아날로그 전자회로에서 널리 쓰이고 있으며, 고성능 범용 증폭기이다. OP-Amp는 저항을 추가하여도 전압강하 현상이 일어나지 않은 특징을 가지기 때문에 측정 할 수 있는 전압의 범위가 증폭된다. 이러한 특징을 갖는 OP-Amp를 이용한 전류-전압 변환방식으로 전력소비정보를 수집하면, 저항 분압방식을 사용한 전력정보에 비해 신호 왜곡이나 손실에 의한 비밀키 분석효율이 저하되는 문제점을 해소 시킬 수 있다.
	전압분배 방식에서 저항값이 일정한 값보다 커지면 어떤 문제가 발생하는가?	일반적으로 암호 알고리즘이 보안 디바이스에서 수행되면서 발생하는 전력신호나 전자파신호 등의 부채널 신호 수집은 저항의 직렬연결을 이용한 전압분배 방식(이하 저항분압방식)을 사용하여 전위차를 생성하고, 전위차로 인한 전압 신호를 측정함으로써 이루어진다.[5] 이러한 방법은 저항의 크기가 커질수록 측정되는 부채널 신호의 크기가 커지지만, 저항값이 일정한 값보다 커지면 안정적으로 보안 디바이스가 동작할 수 없게 된다. 따라서, 저항분압방식을 사용한 방법은 저항의 값을 가변적으로 적용하여 부채널 신호를 수집하여야 하며, 한정된 저항의 값을 사용하기 때문에 일정 크기 이상의 부채널 신호를 계측 할 수 없다.

참고문헌 (5)

E.Brier, C.Clavier, and F.Olivier, "Correlation power analysis whit a leakage model", CHES 2004, LNCS 3156, pp16-29, 2004.
P.Kocher, "Timing Attacks on Implementations of Diffie-Hellman, RSA, DSS, and Other Systems," CRYPTO 96, LNCS 1109, pp. 104-113, 1996.
P.Kocher, J.Jaffe, and B.Jun, "Differential power analysis", CRYPTO 1999, LNCS 1666, pp. 388-397, 1999.
JinBae Kim, JaeDeok Ji, Jong-Won Cho, MinKu Kim and Dong-Guk Han, "An Improved Side Channel Power Analysis with OP-Amp," CISC-S'14, pp. 105, June. 2014.
YongJe Choi, DooHo Choi, JeaCheol Ryou, "Implementing Side Channel Analysis Evaluation Boards of KLA-SCARF system," Journal of The Korea Institute of Information Security & Cryptology, 24(1), pp. 229-240, Feb. 2014.

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저자의 다른 논문 :

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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