TY - THES A1 - Alpirez Bock, Estuardo T1 - SCA resistent implementation of the Montgomery kP-algorithm N2 - Mathematically, cryptographic approaches are secure. This means that the time an attacker needs for finding the secret by brute forcing these approaches is about the time of the existence of our world. Practically, an algorithm implemented in hardware is a device that generates a lot of additional data during the calculation process. Its power consumption, electromagnetic radiation, etc. can be measured, saved and analysed for key extraction. Such attacks are called side channel analysis attacks and are significant threats when applying cryptographic algorithms. By considering these attacks when implementing a cryptographic algorithm, it is possible to design an implementation that is more resistant against them. The goal of this thesis was to design a methodology to securely implement the Montgomery kP-operation using an IHP implementation as a starting point. In addition, the area and energy consumption of the secure Montgomery kP-multiplier should still be highly efficient. The resistance against power analysis attacks of two different IHP ECC implementations was analysed in this thesis. A horizontal power analysis attack using the difference-of-means test was performed with the goal of finding potential leakage sources exploited in side channel analysis attacks, i.e. finding the reasons of a correct extraction of the cryptographic key. For both analysed ECC designs, four key candidates were extracted with a correctness of 90% or more. Through analysis of the implemented Montgomery kP-algorithm’s functionality and its power consumption, it was established that the algorithm’s operation execution flow was the main cause of the implementations’ vulnerability. Thus, a design methodology consisting in changing the Montgomery kP-algorithm operation flow was developed. As a result, the re-designed implementations do not deliver any correctly extracted key candidates whenever the difference-of-means test is performed on them. These re-designs implied an increase on the chip area by about 5% for each implementation. The execution time needed for performing a complete kP-operation was reduced for both designs. Thereby one implementation’s execution time was reduced by 12% in comparison to its original version and even though its power consumption was increased by 9%, its energy consumption per kP-operation was reduced by 4.5%. N2 - Standardisierte kryptographische Algorithmen sind aus mathematischer Sicht sicher. Dies bedeutet, dass ein Brute-Force-Angriff zur Bestimmung des geheimen Schlüssels einen Zeitaufwand von der Dauer der Existenz unserer Welt hat. In Hardware implementierte Algorithmen generieren aber während des Berechnungsvorganges eine große Menge zusätzlicher Daten. U.a. können der Energieverbrauch des Gerätes sowie seine elektromagnetische Strahlung gemessen, gespeichert und analysiert werden, um den privaten Schlüssel zu extrahieren. Solche Angriffe werden Seitenkanalangriffe genannt und sind erhebliche Bedrohungen für die Sicherheit kryptographischer Algorithmen. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, eine Methodik zur Implementierung der Montgomery kP-Operation zu entwickeln, welche Resistenz gegen Seitenkanalangriffe lieferte. Dabei wurde eine IHP Implementierung als Ausgangspunkt benutzt. Zusätzlich sollten die Fläche und der Energieverbrauch der sicheren Montgomery kP-Multiplizierer hoch effizient sein. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde die Resistenz gegen Seitenkanalangriffe zweier unterschiedlicher IHP ECC Implementierungen analysiert. Ein Power-Analysis-Angriff wurde anhand des difference-of-means Testes (DoMT) durchgeführt, um mögliche Sicherheitslücken im Bezug auf Seitenkanalangriffe zu finden, d. h. um die Gründe einer erfolgreichen Schlüssel-Extrahierung festzustellen. Für beide Implementierungen wurden vier Schlüsselkandidaten mit einer Korrektheit von mindestens 90% extrahiert. Nach Analyse der Funktionalität des implementierten Montgomery kP-Algorithmus und seines Momentanleistungsverbrauchs wurde festgestellt, dass die Ausführungseihenfolge der Operationen des Algorithmus die Hauptursache des erfolgreichen Angriffes war. Hierauf aufbauend ist eine neue Methodik zur Implementierung des Montgomery kP-Algorithmus entwickelt worden. Diese Methodik basiert auf einer neuen Ausführungsreihenfolge der einzelnen Operationen im Algorithmus. Nach diesen Änderungen konnten mit dem DoMT keine Schlüssel mehr erfolgreich extrahiert werden. Die Änderungen verursachten eine Erhöhung der Implementierungsflächen um ca. 5%. Die Ausführungszeit einer kompletten kP-Operation ist für beide Implementierungen reduziert worden. Dabei wurde die Ausführungszeit z. B. einer Implementierung im Vergleich zur originalen Version um 12% reduziert und obwohl ihre durchschnittliche Leistung um 9% erhöht wurde, ist ihr Energieverbrauch pro kP-Operation um 4,5% reduziert worden. KW - Side channel analysis KW - Elliptic curve cryptography KW - Power analysis KW - Difference-of-means test KW - Elliptic curve point multiplication KW - Elliptische Kurve KW - Kryptologie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36288 ER - TY - RPRT A1 - Bock, Estuardo Alpirez A1 - Dyka, Zoya T1 - Vulnerability assessment of an IHP ECC implementation N2 - Mathematically, cryptographic approaches are secure. This means that the time an attacker needs for finding the secret by brute forcing these approaches is about the time of the existence of our world. Practically, an algorithm implemented in hardware is a device that generates a lot of additional data during calculation. Its power consumption, electromagnetic radiation etc. can be measured, saved and analysed for the key extraction. Such attacks - the side channel analysis attacks (SCA attacks) - are significant threats when applying cryptographic algorithms. By taking the issue of physical attacks into consideration when implementing a cryptographic algorithm, it is possible to design an implementation that is resilient - at least to a certain extend - against side channel analyses. In this report, we give implementation details of the IHP accelerator for the elliptic curve point multiplication. We analysed the implemented algorithm ow and its power consumption using simulated power traces for the 130nm CMOS IHP technology. We made a horizontal power analysis attack using the difference-of-means test with the goal of finding potential SCA leakage sources, i.e. finding the operations in the algorithmic ow that are responsible for the correct extraction of the cryptographic key. KW - Elliptic curve cryptography KW - Side channel analysis KW - Power analysis KW - Difference of means test KW - Hardware KW - CMOS-Schaltung KW - Kryptologie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34908 ER - TY - THES A1 - Vogel, Elisabeth T1 - Analyse von EM-Kartographie als Mittel zur Bestimmung von Leakage-Quellen sowie des Effektes geeigneter Gegenmaßnahmen T1 - Analysis of EM-Cartography as a mean to find leakage sources and the effect of suitable countermeasures N2 - The Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Networks (WSNs) are essential for today's global information society, relying on small wireless devices for networking. When these devices' functionalities or data are manipulated, the potential damage is significant. Hence, securing data transmission between these devices using cryptography is crucial. However, the security of cryptographic algorithms depends on the secrecy of cryptographic keys, which can be vulnerable due to physical accessibility. Side-channel analysis attacks can exploit this vulnerability by using physical parameters associated with the operation of cryptographic chips, such as electromagnetic radiation during cryptographic operations. In response to this challenge, the Leakage Source Cartography Tool (LSC-Tool) was developed in this thesis to expedite the analysis of electromagnetic radiation in IHP's elliptic curve cryptography designs. The LSC-Tool enables automated evaluation of sets of electromagnetic traces, obtained from different measurement positions across a cryptographic chip. The analysis results in a leakage source map (LS-map) that displays the success of electromagnetic analysis attacks at each measurement point. This tool offers a cost-effective and rapid means to assess the resistance of cryptographic designs against attacks, providing designers with insights into the most vulnerable areas of the chip and information about leakage per clock cycle. By applying the LSC-Tool, the resistance of two IHP ECC designs against horizontal differential electromagnetic analysis attacks was tested across 25 measurement positions. The statistical analysis of traces can be conducted using three methods: the least squares method, the difference-of-means-test, or the difference-of-the-mean method. The generated LS-maps show that using different methods yields distinct leakage source indications. Combining these maps enhances the attack's success rate. Notably, during this research, it became evident that the LSC-Tool could be adapted to create LS-maps for the functional blocks of ECC designs, enabling the analysis of simulated power traces for IHP ECC designs. N2 - Das Internet der Dinge (IoT) und drahtlose Sensor-Netzwerke (WSNs) sind grundlegende Konzepte für die Vernetzung der heutigen globalen Informationsgesellschaft, die auf kleinen drahtlosen Geräten basiert. Wenn die Funktionalitäten oder Daten dieser Geräte manipuliert werden, kann der potenzielle Schaden erheblich sein. Daher ist die Sicherung der Datenübertragung zwischen diesen Geräten mithilfe von Kryptografie entscheidend. Die Sicherheit kryptografischer Algorithmen hängt jedoch von der Geheimhaltung der kryptografischen Schlüssel ab, die aufgrund der physischen Zugänglichkeit anfällig sein können. Side-Channel-Angriffe können diese Anfälligkeit ausnutzen, indem sie physikalische Parameter nutzen, die mit dem Betrieb kryptografischer Chips verbunden sind, wie z. B. die elektromagnetische Strahlung während kryptografischer Operationen.Als Antwort auf diese Herausforderung wurde in dieser Arbeit das "Leakage Source Cartography Tool" (LSC-Tool) entwickelt, um die Analyse der elektromagnetischen Strahlung in den elliptischen Kurvenkryptografie-Designs des IHP zu beschleunigen. Das LSC-Tool ermöglicht die automatisierte Auswertung von Sätzen von elektromagnetischen Traces, die aus verschiedenen Messpositionen über einen kryptografischen Chip gewonnen wurden. Die Analyse führt zu einer "Leakage Source Map" (LS-Map), die den Erfolg von elektromagnetischen Analyseangriffen an jeder Messposition darstellt. Dieses Tool bietet eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit kryptografischer Designs gegen Angriffe zu bewerten, und bietet Designern Einblicke in die anfälligsten Bereiche des Chips sowie Informationen über den Leakage pro Taktzyklus.Durch den Einsatz des LSC-Tools wurde der Widerstand von zwei IHP ECC-Designs gegen horizontale differentielle elektromagnetische Analyseangriffe an 25 Messpositionen getestet. Die statistische Analyse von Traces kann mit drei Methoden durchgeführt werden: der Methode der kleinsten Quadrate, dem Difference-of-means-Test oder der Difference-of-the-mean-Methode. Die generierten LS-Maps zeigen, dass die Verwendung unterschiedlicher Methoden unterschiedliche Anzeichen für Leakagestellen liefert. Die Kombination dieser Karten erhöht die Erfolgsrate des Angriffs. Beachtenswert ist, dass im Laufe dieser Forschung klar wurde, dass das LSC-Tool angepasst werden kann, um LS-Maps für die funktionellen Blöcke von ECC-Designs zu erstellen und so die Analyse simulierter Power-Traces für das IHP ECC-Designs zu ermöglichen. KW - EM-Kartographie KW - Elliptische Kurven KW - Power Analysis Angriffe KW - Seitenkanalattacke KW - Fehleranalyse KW - Kryptosystem KW - Elektromagnetische Strahlung KW - Elliptische Kurve KW - Side-channel-analysis KW - Countermeasures KW - Power analysis Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64545 ER -