22、实际中的宽碰撞攻击技术解析

实际中的宽碰撞攻击技术解析

1. 研究动机

侧信道攻击多年来一直对嵌入式加密实现构成威胁。其中，各种功耗分析攻击不断发展和改进，相应的对抗措施也在不断完善。基于功耗的碰撞攻击常被忽视，因为碰撞检测比大多数差分功耗分析（DPA）攻击更易受噪声和对抗措施的影响。

不过，AES 特定的宽碰撞具有巨大优势。与检测 AES 算法 SubBytes 操作中单个字节的碰撞不同，宽碰撞会导致整轮的列碰撞，以及前后两轮的两个 SubBytes 字节碰撞，增加了泄漏量，使碰撞检测更容易。这是首次将宽碰撞应用于功耗分析攻击。

此前，已有诸多相关研究。如 2004 年 Schramm 等人对 AES 发起首次碰撞攻击；2007 年 Bogdanov 对内部碰撞概念进行了推广；2008 年提出了用于碰撞检测的多差分方法和多差分碰撞攻击（MDCA）；2010 年对 AES 进行了基于宽碰撞的差分缓存碰撞定时攻击。另外，模板攻击在 2002 年被引入，后续也有改进。

本研究提出了一种新的实用方法——异常值方法，用于高成功率地检测 AES 中的宽碰撞。该方法适用于无法创建模板的情况，无需泄漏模型的先验知识，但需要知道功耗轨迹中的泄漏时间实例。同时，将异常值方法的攻击结果与基于主成分分析（PCA）的模板攻击检测率进行比较，并扩展了迭代 PCA 算法以进一步分离相近的分组。

2. 背景知识

2.1 碰撞攻击

一般来说，密码原语中的内部碰撞是指特定目标函数 φ 对两个不同输入 x1、x2 产生相同输出值 y，即 φ(x1) = y = φ(x2)。在 AES 中，碰撞发生在每轮 MixColumns 变换的输出中。例如，在第 1