[논문]함수 생략 오류를 이용하는 AES에 대한 신규 차분 오류 공격

김주환; 이종혁; 한동국

doi:10.13089/jkiisc.2020.30.6.1263

초록
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차분 오류 공격은 암호화 장비에 인위적인 오작동을 유도하여 발생한 오류 암호문과 정상 암호문의 차분을 이용해 비밀키를 분석하는 기법이다. 일반적으로 차분 오류 공격은 암호 알고리즘의 중간값을 변조시켰을 때의 결과를 이용한다. 반면, 우리는 함수 전체를 생략시켰을 때의 결과를 이용하는 차분 오류 공격을 제안한다. 제안한 기법은 단일 오류 주입 암호문으로 수 초 이내에 전체 비밀키 복구가 가능한 매우 낮은 공격 복잡도를 갖는다. 또한, 우리는 오류가 함수 생략을 유도했는지 검증하는 방안을 제시함으로써 공격자 가정을 현실적으로 낮췄다. 제안한 기법을 실험적으로 검증하기 위해 Riscure 사의 Piñata 보드에 대한 오류 주입 공격을 수행한 결과 함수 생략으로 유도되지 않은 모든 오류 암호문을 거를 수 있었으며, 수 초 내에 비밀키 복구에 성공했다.

Abstract ▼ AI-Helper

The differential fault attacks (DFA) are cryptoanalysis methods that reveal the secret key utilizing differences between the normal and faulty ciphertexts, which occurred when artificial faults are injected into an encryption device. The conventional DFA methods use faults to falsify intermediate va...

The differential fault attacks (DFA) are cryptoanalysis methods that reveal the secret key utilizing differences between the normal and faulty ciphertexts, which occurred when artificial faults are injected into an encryption device. The conventional DFA methods use faults to falsify intermediate values. Meanwhile, we propose the novel DFA method that uses a fault to skip a function. The proposed method has a very low attack complexity that reveals the secret key using one fault injected ciphertext within seconds. Also, we proposed a method that filters out ciphertexts where the injected faults did not occur the function-skipping. It makes our method realistic. To demonstrate the proposed method, we performed fault injection on the Riscure's Piñata board. As a result, the proposed method can filter out and reveal the secret key within seconds on a real device.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The cardinality of N_x
표 Table 1. Notations
그림 Fig. 2. The Riscure’s SubBytes implementation in C
그림 Fig. 3. Last round of the AES assembly code
그림 Fig. 4. First loop of the SubBytes assembly code
그림 Fig. 5. Experimental environment
그림 Fig. 6. The number of SubBytes-skipping according to the fault injection time
그림 Fig. 7. Electromagnetic trace of the AES
그림 Fig. 8. Electromagnetic trace of part of 9^th-10^th round AES

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 기법과 달리 SubBytes 함수 생략 오류를 이용하여 비밀키를 분석하는 방안과 SubBytes 생략이 발생했는지 검증하는 방안을 제안하였다. 제안한 공격기법은 하나의 정상 및 오류 암호문 쌍만으로 후보 키를 평균 1370개로 줄일 수 있으며.

제안 방법

첫 번째는 4장의 분석 결과를 검증하기 위해 미리 적합한 오류 주입 위치와 시점을 프로파일링하고, 정확한 시점에 오류를 주입하기 위해 암호화 함수 내부에 인위적인 트리거를 발생시키는 강력한 공격자 가정에서의 실험이다. 두 번째는 제안한 Sub Bytes 생략 검증 기법을 적용하면 현실적인 공격자 가정에서 비밀키 복구가 가능함을 보이기 위해 암호화 함수 외부에 트리거를 발생시키고, 전자파 파형을 기반으로 추정한 SubBytes 호출 시점에 대해 오류를 주입하는 현실적인 공격자 가정에서의 실험이다.
본 장에서는 오류로 AES 마지막 라운드의 SubB ytes 함수가 생략되었을 때의 결과를 이용해 비밀키를 복구하는 방안과 SubBytes 함수 생략으로 유도되지 않은 오류 암호문을 거르는 방안을 제안한다. 본 논문에서 사용하는 기호는 Table 1.
따라서 이러한 공격은 현실적으로 적용하기 어렵다. 우리는 이러한 공격자 가정을 낮추기 위해 정상 및 오류 암호문 쌍을 이용해 오류가 SubBytes 함수 생략을 유도했는지 판정하는 방안을 제안한다. 오류 암호문 중 원하는 오류로 유도된 것만 선택하는 방법이 있다면, 대략적인 위치와 시점에 오류를 주입하고 원하는 결과만을 취해 공격을 수행할 수 있으므로 공격자 가정을 현실적으로 낮출 수 있다.

대상 데이터

실험을 위해 Riscure 사의 Piñata 보드에서 소프트웨어로 구현된 AES-128 암호 알고리즘이 동작할 때 전자파 오류 주입을 수행했다
5mm이고 극성은 (+)인 것을 사용했다. 암호화 수행 시 전자파를 확인하기 위해 Langer사 의 EM Probe와 Oscilloscope를 이용했다. Fig.
실험을 위해 Riscure 사의 Piñata 보드에서 소프트웨어로 구현된 AES-128 암호 알고리즘이 동작할 때 전자파 오류 주입을 수행했다. 오류 주입을 위해 EM-FI Transient Probe, EM Probe Stati on, Spider 장비를 이용했으며, EM Probe Tip은 지름이 1.5mm이고 극성은 (+)인 것을 사용했다. 암호화 수행 시 전자파를 확인하기 위해 Langer사 의 EM Probe와 Oscilloscope를 이용했다.
제안한 공격 기법을 검증하기 위해 두 가지 실험을 수행했다. 첫 번째는 4장의 분석 결과를 검증하기 위해 미리 적합한 오류 주입 위치와 시점을 프로파일링하고, 정확한 시점에 오류를 주입하기 위해 암호화 함수 내부에 인위적인 트리거를 발생시키는 강력한 공격자 가정에서의 실험이다. 두 번째는 제안한 Sub Bytes 생략 검증 기법을 적용하면 현실적인 공격자 가정에서 비밀키 복구가 가능함을 보이기 위해 암호화 함수 외부에 트리거를 발생시키고, 전자파 파형을 기반으로 추정한 SubBytes 호출 시점에 대해 오류를 주입하는 현실적인 공격자 가정에서의 실험이다.

데이터처리

본 장에서는 Riscure 사에서 C 언어로 구현되고 CoIDE로 컴파일된 AES-128 암호 알고리즘을 분석해 실제 장비에서 함수 생략이 발생하는 원인을 해석한다.

성능/효과

제안한 공격기법은 하나의 정상 및 오류 암호문 쌍만으로 후보 키를 평균 1370개로 줄일 수 있으며. 검증 기법을 사용해 현실적인 공격자 가정에서 제안한 방법을 적용할 수 있다.
본 절에서는 SubBytes 생략 검증 기법을 이용하면 정확한 위치나 시점에 오류를 주입하지 못하는 현실적인 공격자 가정에서 제안한 공격 기법이 적용 가능함을 보인다. 프로파일링이 선행되지 않았다는 가정에서 실험하기 위해 전자파 파형을 이용해 대략적인 오류 주입 시점을 판정하고 넓은 범위에 오류를 주입한다.
그 결과 전체 64000번 오류 주입으로 27개의 오류 암호문을 얻었으며, 이 중 SubBytes 생략으로 유도된 오류 암호문은 1개였다. 제안한 검증 기법을 사용하면 26개의 오류 암호문이 SubBytes 생략으로 유도되지 않았음을 판정할 수 있었으며, 남은 1개의 오류 암호문쌍으로 분석한 결과 후보 키를 2304개로 줄일 수 있었다. 따라서 제안한 기법을 이용하면 현실적인 공격자 가정에서 낮은 공격 복잡도로 비밀키 분석을 수행할 수 있다.
본 논문에서는 기존 기법과 달리 SubBytes 함수 생략 오류를 이용하여 비밀키를 분석하는 방안과 SubBytes 생략이 발생했는지 검증하는 방안을 제안하였다. 제안한 공격기법은 하나의 정상 및 오류 암호문 쌍만으로 후보 키를 평균 1370개로 줄일 수 있으며. 검증 기법을 사용해 현실적인 공격자 가정에서 제안한 방법을 적용할 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 AES에 대한 키 복구 논리만을 제시하였으나, 제안한 방법은 비선형 함수가 존재하는 대부분의 블록 암호에 적용 가능할 것으로 예상한다. 따라서 향후 다양한 암호 알고리즘에 대한 키 복구 방안을 연구할 예정이다.
본 논문에서는 AES에 대한 키 복구 논리만을 제시하였으나, 제안한 방법은 비선형 함수가 존재하는 대부분의 블록 암호에 적용 가능할 것으로 예상한다. 따라서 향후 다양한 암호 알고리즘에 대한 키 복구 방안을 연구할 예정이다.

참고문헌 (11)

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O. Kommerling and M. Kuhn, "Design principles for tamper-resistant smart-card processors," Proceedings of the 1st Workshop on Smartcard Technology, pp. 9-20, May. 1999.
E. Biham and A. Shamir, "Differential fault analysis of secret key cryptosystems," Advances in Cryptology, CRYPTO'97, LNCS 1294, pp. 513-525, Aug, 1997.
J. Schmidt and C. Herbst, "A practical fault attack on square and multiply," Workshop on Fault Diagnosis and Tolerance in Cryptography (FDTC), pp. 53-58, Aug. 2008.
D. Kumar, S. Patranabis, J. Breier, D. Mukhopadhyay, S. Bhasin, A. Chattopadhyay, and A. Baksi "A practical fault attack on ARX-like ciphers with a case study on ChaCha20," Workshop on Fault Diagnosis and Tolerance in Cryptography (FDTC), pp. 33-40, Sep. 2017.
J. Park, S. Moon, D. Choi, Y. Kang, and J. Ha, "Differential fault analysis for round-reduced AES by fault injection," ETRI Journal, 33(3), pp. 434-442, Jun. 2011.

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M. Dworkin, E. Barker, J. Nechvatal, J. Foti, L. Bassham, E. Roback, and J. Dray Jr., "Advanced Encryption Standard (AES)," NIST FIPS 197, Nov. 2001.
H. Choukri and M. Tunstall, "Round reduction using faults," Workshop on Fault Diagnosis and Tolerance in Cryptography (FDTC), pp. 13-24, Sep. 2005.
J. Blomer and JP. Seifert, "Fault based cryptanalysis of the Advanced Encryption Standard (AES)," financial cryptography, LNCS 2742, pp. 162-181, Jan. 2003.
C. Chen and S. Yen, "Differential fault analysis on AES key schedule and Some countermeasures," Australasian Conference on Information Security and Privacy, LNCS 2727. pp. 118-129, Jul. 2003.
J. Breier, D. Jap, and C. Chen, "Laser profiling for the back-side fault attacks: with a practical laser skip Instruction attack on AES," Worksohp on Cyber-Physical System Security, pp. 99-103, Apr. 2015.

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