[发明专利]DES轮运算方法和电路

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种DES轮运算方法和电路。

背景技术

DES(Data Encryption Standard)是一种对称加密算法，1972年由美国IBM公司研制。明文按64位进行分组,密钥长64位，密钥事实上是56位参与DES运算，分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。它是使用最广泛的密钥系统，特别是在保护金融数据的安全中。

DES算法在POS机、ATM、磁卡及智能卡被广泛应用,以此来实现关键数据的保密。但在输入信息和密钥进行处理的过程中，设备会产生能量消耗或者电磁辐，这些信息够被用来分析获取机密信息。这种攻击方法叫做旁路攻击(SideChannel Attack)，它是指攻击者通过测量实际应用的密码系统在运行过程中泄漏的一些旁路信息，如系统的时间、功耗、电磁辐射等，然后经过相关性分析、统计处理等分析处理，即可成功获取加密密钥等机密信息。其中最具威胁的攻击方法是功耗分析。常用的功耗分析的方法有简单功耗分析(SPA，Simple Power Analysis)、差分功耗分析(DPA，Differential Power Analysis)、相关功耗分析(CPA，correlation power analysis)。

CMOS电路中，占总能耗比例最大的动态功耗取决于所有门输出的翻转率。电路的动态功耗可下式表示：

Pdynamic=αCLVdd2f---(1)]]>

式中的(是时钟变化时在该门的输出端引起0->1即消耗功率事件的概率。CL称为等效电容，代表了每时钟周期发生开关的平均电容，Vdd为供电电压，f代表输入发生变化的最大可能速率，即时钟频率。可以简化认为电路的总能耗与整体翻转率有一定正比关系。

功耗分析攻击理论基础利用了(1)式中动态功耗对数据处理的依赖关系，即在加密过程中要消耗能量，而消耗的能量随处理的数据不同会有微小的差别。根据这种差别来确定处理的数据是0还是1，从而有可能猜出加密算法中所使用的密钥。

DES算法具有16轮运算，每一轮的8个S盒军对应8组子密钥。在进行差分功耗分析的时候，可以攻击参与第一轮DES运算的48位子密钥，也可以攻击最后一轮DES运算的48位密钥。一旦分析出某轮运算的密钥，即可根据密钥运算推导出最原始的56位DES密钥。以攻击DES盒的S1为例，具体的DPA攻击的过程如下：

(1)随机生成大量明文；

(2)加密这些明文，并记录下加密操作时的能耗曲线，求得这些曲线的平均；

(3)关注第一轮S1盒的输出，设输出的第一比特为b，对第一轮子密钥的第一个字节进行猜测，并用其与相应的明文计算出S1盒的输出；

(4)根据b的值，将能耗曲线按照b＝0和b＝1分为两类；

(5)计算出这两类的平均能耗曲线，并将二者相减，求得差分能耗曲线；

(6)观察步骤(2)和(5)生成的能量曲线。若密钥猜测正确，那么步骤(4)的分组就是正确的，步骤(5)生成的差分能耗曲线将和步骤(2)生成的平均能耗曲线呈现较大的差别，差分能耗曲线中将出现峰值。因此，攻击者通过观察峰值来判断密钥的猜测是否正确。