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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.
In this work we investigated the resistance of different kP implementations based on the Montgomery ladder against horizontal, i.e. single trace, attacks. Applying statistical methods for the analysis we were able to reveal the secret value k completely. The reason causing the success of our attacks is the key-dependent addressing of the registers and other design blocks, which is an inherent feature of binary kP algorithms. This dependency was successfully exploited in the past by Itoh et al. analyzing many hundreds of kP traces, i.e. this attack is a vertical address-bit differential power analysis attack against Montgomery ladder. The vulnerability of the Montgomery ladder against horizontal address-bit attacks was detected and demonstrated during our investigations. We were able to reveal the scalar k exploiting the address-bit vulnerability in single trace attacks using not only statistical methods, but also Fourier transform, selected clustering methods as well as one of the simplest methods – the automatized simple SCA. We performed successful horizontal address-bit SCA attacks against both types of ECs, i.e. against highly regular Montgomery ladder and against a binary kP algorithm implementing atomic patterns. The success of our attacks shows that the regularity and atomicity principles are not effective against horizontal address-bit attacks. As a means for reducing the attack success, we investigated the hiding ability of the field multiplier which is usually the largest block of kP designs. We implemented our field multiplier for ECs over prime fields corresponding to the 4-segment Karatsuba multiplication formula that reduces the execution time and the energy consumption for a kP operation by about 40 % in comparison to multipliers exploiting the classical multiplication formula. However, the energy consumption per clock remained in our multiplier without significant changes, i.e. the protective hiding properties of the multiplier as a noise source were not decreased. Another advantage of our field multiplier is its inherent resistance to horizontal collision attacks, in contrast to multipliers based on the classic multiplication formula. Additionally, we proposed regular scheduling for the block addressing as an effective strategy for reducing the success of horizontal address-bit attacks. Combining this approach with the hiding features of the field multipliers can increase the resistance of the kP designs for both types of ECs against a broad spectrum of SCA attacks. The mentioned analysis methods can be successfully applied for determining SCA leakage sources in the early design phase.
Die zunehmende Digitalisierung unserer Gesellschaft erfordert fortwährenden Schutz von kritischen Informationen mittels kryptographischer Systeme. Algorithmisch sind diese Systeme kaum anzugreifen. Allerdings ermöglichen sogenannte Seitenkanalattacken die Extraktion von geheimen Daten. Eine Art Seitenkanalattacken mit großem Angriffspotential ist die lokalisierte elektromagnetische Analyse. Bei diesem Verfahren werden durch Messung und Analyse der elektromagnetischen Abstrahlung von Teilen der Schaltung Rückschlüsse auf interne Zustände getroffen und dadurch geheime Informationen wie private Schlüssel extrahiert. Der aktuelle Stand der Forschung im Bereich lokalisierter EMA zeigt sowohl erfolgreiche Angriffe als auch Gegenmaßnahmen auf. Jedoch werden in den veröffentlichten Arbeiten keine detaillierten Untersuchungen hinsichtlich der genauen Umsetzung des Layouts der FPGA Implementierungen untersucht, welches die Ursache für den lokalisierten Leakage bildet. Stattdessen werden die Ursachen auf der algorithmischen Ebene des verwendeten kryptographischen Verfahrens betrachtet und ebenfalls eine algorithmische Gegenmaßnahme vorgeschlagen.
In dieser Arbeit wird der Einfluss des Layouts von FPGA und ASIC Implementierungen auf lokalisierte EMA Angriffe untersucht. Dabei spielt insbesondere die Platzierung der Register eine wichtige Rolle. Die Untersuchungen in dieser Arbeit werden genutzt, um weiterführende Maßnahmen zum Schutz von kryptographischen Implementierungen planen zu können.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sowohl das Design selbst als auch die Implementierung als FPGA oder ASIC einen großen Einfluss auf die Angreifbarkeit der Implementierung durch eine lokalisierte EMA haben. So kann die FPGA Implementierung des betrachteten ECC Designs ebenfalls für diese Art von Angriffen verwundbar sein. Aufgrund ihrer Implementierung ist dieser ECC-Beschleuniger insgesamt weniger anfällig als ein Vergleichsdesign aus dem Stand der Forschung. Dennoch konnten potentielle Schwachstellen identifiziert werden, welche die Grundlage für die Planung und Umsetzung von Gegenmaßnahmen darstellen. Bei einer FPGA Implementierung des ECC Beschleunigers ist hauptsächlich die Lage der Flip-Flops im Layout die Ursache für die Anfälligkeit. Dem kann durch eine gleichmäßige Verteilung der Register zusammen mit permanent aktiver Logik entgegengewirkt werden, da die EM Abstrahlung der Logik die der Register überdeckt. Im Gegensatz dazu konnte bei der ASIC Implementierung keine Aussage über den Einfluss von Platzierungsvarianten getroffen werden, da die Einflüsse nicht messbar waren. Allerdings konnte die Verdrahtung auf der obersten Metallschicht als Leakagequelle bestimmt werden. Als Gegenmaßnahme dazu wird vorgeschlagen, durch Constraints die Ausgangssignale von Registern eines kryptographischen Chips nicht bis in die oberste Schicht zu routen.