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Implementation of AES and ARIA algorithm with Secure Structure for Power Analysis using LFSR Masking 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.25 no.1, 2020년, pp.79 - 86  

Kang, Young-Jin (Dept. of Ubiquitous IT, Dongseo University) ,  Kim, Ki-Hwan (Dept. of Ubiquitous IT, Dongseo University) ,  Lee, Hoon Jae (Div. of Information and Communication Engineering, Dongseo University)

초록
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본 논문에서는 ARIA 알고리즘과 AES 알고리즘을 대상으로 전력분석공격을 시도한 사례를 찾아 취약점을 분석하고, 이를 통해 전력분석에 안전한 구조를 가지는 알고리즘을 제안하고 실험을 통해 증명하고자 한다. 제안하는 기법은 순환 구조를 가지는 LFSR을 이용하여 마스킹 하는 방식으로 이를 검증하기 위해 Power Trace를 각각 1000개, 2000개, 4000개를 수집한 뒤 전력분석공격을 시도하여 안전한 구조인지를 확인할 수 있는 결과를 보이고자 한다. 실험을 진행하기 위하여 Arduino Uno에 ATmega328 Chip을 사용하여 각 알고리즘을 탑재 하였으며, 소모 전력을 측정하기 위하여 저항을 삽입한 후 진행하였다. 분석결과 제안하는 구조는 전력분석에 안전한 구조를 가지는 것을 증명하였으며, 향후 성능고도화까지 이끌어 낼 수 있는 방법을 연구하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we analyzed the case vulnerable to the power analysis attack of the ARIA algorithm and AES algorithm. Through this, we propose an algorithm with a safe structure for power analysis and prove through experiment. The proposed technique is a masking method using LFSR with a cyclic struct...

주제어

표/그림 (8)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 마지막으로 현재 기술의 한계점과 해결 방법을 제시하였다. 결과적으로 ARIA, AES 알고리즘은 전력분석에 취약함을 보였으며, 이를 토대로 전력 분석에 안전한 구조를 가지는 알고리즘을 제안하고 실험을 통해 검증하고자 한다.
  • 본 논문에서는 다른 연구자들의 ARIA 알고리즘과 AES 알고리즘을 공격한 사례를 분석하고 전력분석에 안전한 알고리즘의 구조를 제안한다. 다음으로 전력분석에 안전한 구조를 가지는지 실험을 통해 검증하고자 한다.
  • 일단 소프트웨어 대응기법은 성능의 고도화만 이끌어낼 수 있으면 비용이 발생하지 않기 때문에 많은 연구자들이 다양한 방법을 제시하고 있다. 본 논문에서는 다른 연구자들의 ARIA 알고리즘과 AES 알고리즘을 공격한 사례를 분석하고 전력분석에 안전한 알고리즘의 구조를 제안한다. 다음으로 전력분석에 안전한 구조를 가지는지 실험을 통해 검증하고자 한다.
  • 본 논문의 중점은 대상 암호 알고리즘이 전력분석에 안전한 구조를 가질 수 있는지를 우선순위로 두고 연구를 진행하였으며, 성능의 고도화는 크게 신경 쓰지 않았기에 기 존의 알고리즘보다 방어기법이 적용된 알고리즘과의 성능 차이는 어느 정도 있다고 생각된다. 차후에는 전력분석을 차단하면서도 성능고도화를 이끌어 낼 수 있는 부분을 집중적으로 연구하고자 한다.
  • 본 장에서는 제안한 구조를 통해 전력분석에 안전한 구조를 가지는가를 검증하고자 한다. 먼저 실험 환경으로 데이터를 분석하고 프로그램을 러닝 시킬 PC의 사양은 AMD Ryzen 7 1700X 8코어 프로세서, 메모리는 16G, 윈도우 10 환경을 기반으로 하였다.
  • 기본적으로 마스킹 구조는 고정된 값을 사용하여 소모되는 전력을 측정하여 추측키에 해당하는 파형을 예측할 수 없도록 만드는 방법이며, 최근에는 다양한 방법들이 연구되면서 안티 마스킹 기법이 발표되고 있다. 이에 본 논문에서는 순환 구조를 가지는 LFSR을통해 간단하게 마스킹하는 기법을 제안한다. ARIA는 33bit의 LFSR을 사용하고, AES는 31bit의 LFSR을 사용한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전력분석 대응기법 중 소프트웨어 기법의 단점은? 크게 구분을 지어보면 대응기법은 소프트웨어 기법과 하드웨어 기법으로 나눌 수 있지만 두 가지의 대응기법은 서로 다른 장단점이 존재 한다. 소프트웨어 기법의 경우 하드웨어에 알고리즘을 탑재하게 되는데 기존의 알고리즘을 탑재할 때 보다 대응 기법을 적용한 알고리즘을 탑재할 경우 퍼포먼스 측면에서 기존보다 느려지는 단점이 존재한다. 반대로 하드웨어의 경우 회를 재설계하거나 새로운 공정과정을 필요하기 때문에 비용이 발생하는 문제가 생긴다.
ARIA 알고리즘은 무엇인가? ARIA 알고리즘은 학계, 연구소, 정부 기관이 개발에 참여해서 만들어졌으며, 경량 환경 및 하드웨어 구현을 위해 최적화된 Involutional SPN 구조를 갖는 범용 블록 암호 알고리즘이다. 대부분의 연산은 XOR과 같은 단순한 바이트 단위 연산으로 구성되어 있으며, AES와 유사한 구조를 가지고 있기 때문에 대체하여 사용이 가능하다[1].
소프트웨어 기법을 사용한 전력분석 대응법을 연구하는 이유는? 반대로 하드웨어의 경우 회를 재설계하거나 새로운 공정과정을 필요하기 때문에 비용이 발생하는 문제가 생긴다. 일단 소프트웨어 대응기법은 성능의 고도화만 이끌어낼 수 있으면 비용이 발생하지 않기 때문에 많은 연구자들이 다양한 방법을 제시하고 있다. 본 논문에서는 다른 연구자들의 ARIA 알고리즘과 AES 알고리즘을 공격한 사례를 분석하고 전력분석에 안전한 알고리즘의 구조를 제안한다.
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참고문헌 (11)

  1. Kwon, Daesung, et al. "New block cipher: ARIA", International Conference on Information Security and Cryptology, LNCS, volume 2971, pp. 432-445, Berlin, Heidelberg, 2003. 

  2. AES cryptographic algorithm, http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf 

  3. Paul C. Kocher, Joshua Jaffe, and Benjamin Jun, "Differential Power Analysis", In Michael Wiener, editor, Advances in Cryptology - CRYPTO '99, volume 1666 of Lecture Notes in Computer Science, pages 388-397. Springer, December, 1999. 

  4. L. Goubin, J. Paratin, "DES and differential power analysis The "Duplication" Method", CHES'99, LNCS 1717, pp.158-172, February, 1999. 

  5. JungKab Seo, ChangKyun Kim, JaeCheol Ha, SangJae Moon, IlHwan Park, "Differential Power Analysis Attack of Block Cipher ARIA", Journal of The Korea Institute of Information Security & Cryptology, Vol.15 No.l, pp. 99-106, 2005. 

  6. Park, Jae Hoon, HoonJae Lee, and ManKi Ahn. "Side-channel attacks against aria on active rfid device." 2007 International Conference on Convergence Information Technology (ICCIT 2007). IEEE, pp. 2163-2168, November, 2007. 

  7. Kim, ChangKyun, Martin Schlaffer, and SangJae Moon. "Differential side channel analysis attacks on FPGA implementations of ARIA." ETRI journal vol. 30, no.2, pp. 315-325, April, 2008. 

  8. Young Jin Kang et al., "An Experimental CPA Attack for Arduino Cryptographic Module and Analysis in Software-based CPA Countermeasures", International Journal of Security and Its Applications, Vol. 8, No.2, pp. 261-270, Apr. 2014. 

  9. Zhang, Xiaoyu, et al. "Correlation power analysis for AES encryption device." 2015 4th National Conference on Electrical, Electronics and Computer Engineering, Atlantis Press, pp. 1003-1009, December, 2015. 

  10. Lo, Owen, William J. Buchanan, and Douglas Carson. "Power analysis attacks on the AES-128 S-box using differential power analysis (DPA) and correlation power analysis (CPA).", Journal of Cyber Security Technology, 1(2):88-107, 2017. 

  11. Young-Jin Kang, Ki-Hwan Kim, and HoonJae Lee. "Scrambler Based AES for Countermeasure Against Power Analysis Attacks." Advanced Multimedia and Ubiquitous Engineering. Springer, Singapore, pp. 152-157, April, 2019. 

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