[논문]블록암호에 대한 상관관계 전력분석 공격

안효식; 신경욱

블록암호에 대한 상관관계 전력분석 공격
A Correlation Power Analysis Attack on Block Cipher 원문보기

안효식 (금오공과대학교) , 신경욱 (금오공과대학교)

AES-128 블록 암호에 대해 상관관계 전력분석 공격을 통해 비밀키를 추출할 수 있는 보안공격 시스템의 프로토타입을 개발했다. Verilog HDL로 모델링된 AES-128 암호 코어의 RTL 시뮬레이션을 통해 switching activity 정보를 추출하고, 이를 PowerArtist 툴을 이용하여 순시 전력을 도출하였다. 추출된 순시 전력으로부터 출력 레지스터의 hamming Weight 모델링과 상관관계 분석을 통해 128 비트의 비밀키 중 일부를 획득하는 보안공격 시스템을 개발하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 8 비트 데이터 패스로 구현된 AES-128의 출력 레지스터에 대해 상관관계 전력분석 공격을 수행하는 방법을 연구하였으며, 일부 조건하에서 올바른 비밀키가 획득됐음을 확인하였다. 비밀키 획득을 위해 32 비트 전수검사가 필요하므로, 비밀키 획득 시간이 다소 소요되지만 스마트카드가 아닌 일반적인 상황에서도 전력분석 공격이 가능함을 보였다.
본 논문에서는 대표적인 블록암호 알고리듬인 AES에 대한 상관관계 전력분석 공격(correlation power analysis attack)을 설명한다. 상관관계 전력분석 공격을 위해 AES 암호 코어의 RTL 시뮬레이션을 통해 switching activity 정보를 추출하고, 이를 PowerArtist 툴을 이용하여 순시 전력을 도출하였다.

제안 방법

본 논문에서는 일반적인 환경을 고려하여 전체 소비전력에 미치는 비중이 가장 큰 그림 1의 라운드 블록의 출력 레지스터 Ru_Out에 대해 상관관계 전력분석 공격을 수행한다. II장에서 설명했듯이, 마지막 라운드 연산이 끝나면 레지스터 Ru_Out에 저장된 값이 암호문으로 출력된다.
이와 같은 방법으로 비밀키를 획득하기 위해 2³²개의 키 조합에 대해 전수검사를 실시해야 한다. 본 논문의 실험에서는 32 비트 중, 24 비트의 키를 실제 사용된 값으로 고정시킨 상태에서 비밀키의 나머지 8 비트에 대한 획득 가능 여부를 확인하여 고정시키는 키를 줄여가면서 16, 24, 32 비트의 비밀키를 획득하는 방식으로 진행하였다. MK(a), MK(b) 의 경우에는 라운드키 가산 후, 추가 연산과정을 거치기 때문에 올바른 키 값에 대해서만 소비전력과의 선형성을 가지게 되며, 상관계수 값이 1에 가깝게 나타난다.
본 실험에서는 1,000개의 128 비트 평문 블록을 사용한 RTL 시뮬레이션을 통해 switching activity를 구하고, PowerArtist 툴로 전력소모 파형을 구하였다. hamming weight 모델링에 사용된 네 개의 8 비트 비밀키 후보 가운데 두 개의 8 비트 마스터키 MK(a), MK(b)와 두 개의 8 비트 라운드키 RK(c), RK(d)를 획득하는 예에 대해 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 대표적인 블록암호 알고리듬인 AES에 대한 상관관계 전력분석 공격(correlation power analysis attack)을 설명한다. 상관관계 전력분석 공격을 위해 AES 암호 코어의 RTL 시뮬레이션을 통해 switching activity 정보를 추출하고, 이를 PowerArtist 툴을 이용하여 순시 전력을 도출하였다. 수집된 전력소모 파형과 출력 레지스터의 hamming weight 모델링으로 상관관계 전력분석 공격을 하여 암호화에 사용된 AES의 비밀키가 추출될 수 있음을 보였다.

대상 데이터

AES는 non-Feistel 구조를 바탕으로 하는 128 비트 블록암호이며, 128/192/256 비트의 세 가지키 길이를 지원하여 키 길이에 따라 10, 12, 14회의 라운드 연산으로 암호/복호를 수행한다[4]. 본 논문에서는 8 비트 데이터 패스로 구현된 AES 코어를 전력분석 공격의 대상으로 사용한다. 그림 1은 8 비트 데이터 패스로 구현된 라운드 블록이며, XOR1에 의해 라운드키 가산이 이루어지고, 마지막 라운드는 XOR2에서 라운드키 가산이 이루어져 암호문으로 출력된다.
hamming weight 모델링에 사용된 네 개의 8 비트 비밀키 후보 가운데 두 개의 8 비트 마스터키 MK(a), MK(b)와 두 개의 8 비트 라운드키 RK(c), RK(d)를 획득하는 예에 대해 실험을 수행하였다. 사용된 128 비트의 마스터 키는 0x2b7e_1516_28ae_d2a6_abf7_1588_09cf_4f2c이며, 키확장을 통해 생성된 첫 번째 라운드키는 0xa0fa_6417_8854_b6b1_23a3_a339_2a6c_ec15이다. 초기 라운드의 첫 번째 클록에서 CPA 공격으로 획득할 수 있는 정보는 마스터키의 일부인 0x2bxx_xxxx_xxae_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx와 첫 번째 라운드키의 일부인 0xa0fa_xxxx_xxxx_ xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx이다.

성능/효과

본 논문에서는 8 비트 데이터 패스로 구현된 AES-128의 출력 레지스터에 대해 상관관계 전력분석 공격을 수행하는 방법을 연구하였으며, 일부 조건하에서 올바른 비밀키가 획득됐음을 확인하였다. 비밀키 획득을 위해 32 비트 전수검사가 필요하므로, 비밀키 획득 시간이 다소 소요되지만 스마트카드가 아닌 일반적인 상황에서도 전력분석 공격이 가능함을 보였다. 향후 국내에서 개발된 경량 블록암호 LEA에 대해서 전력분석 공격을 연구할 계획이다.
상관관계 전력분석 공격을 위해 AES 암호 코어의 RTL 시뮬레이션을 통해 switching activity 정보를 추출하고, 이를 PowerArtist 툴을 이용하여 순시 전력을 도출하였다. 수집된 전력소모 파형과 출력 레지스터의 hamming weight 모델링으로 상관관계 전력분석 공격을 하여 암호화에 사용된 AES의 비밀키가 추출될 수 있음을 보였다.

후속연구

비밀키 획득을 위해 32 비트 전수검사가 필요하므로, 비밀키 획득 시간이 다소 소요되지만 스마트카드가 아닌 일반적인 상황에서도 전력분석 공격이 가능함을 보였다. 향후 국내에서 개발된 경량 블록암호 LEA에 대해서 전력분석 공격을 연구할 계획이다.

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