6、低熵掩码方案的脆弱性剖析

低熵掩码方案的脆弱性剖析

1. 动机

侧信道攻击（如功耗分析和电磁分析）一直是嵌入式加密解决方案，特别是加密智能卡面临的重大问题。掩码技术是早期且被广泛研究的对抗措施之一。若正确实施掩码，能显著增加攻击的复杂度，甚至能证明在适当掩码实现和相应假设下，一阶攻击是不可能成功的，这使得经典差分功耗分析（DPA）、相关功耗分析（CPA）和互信息分析（MIA）等简单且流行的攻击变得不切实际甚至不可行。

然而，掩码方案存在一个主要缺点，即实现时需要显著的开销，尤其是对于像高级加密标准（AES）这样的流行密码算法。计算开销通常很大，这是由于掩码处理以及其他调整计算（如即时重新计算查找表或冗余存储）造成的。此外，掩码方案通常假设随机掩码是均匀分布的，这意味着除了受保护的加密方案外，还需要实现并查询一个足够好的随机数生成器。因此，掩码通常会给硬件和软件中的加密实现增加显著的时间和空间开销。

为了减少这种开销，人们提出了降低掩码熵的想法。使用较少的掩码值可以减少实现中需要处理的特殊情况数量，从而在侧信道抗性和性能之间实现合理的权衡。虽然已有一些工作提出在架构层面应用低熵掩码，但对其可能的弱点缺乏深入分析。

2. 背景

2.1 低熵掩码方案

低熵掩码方案（LEMS）是一种对抗侧信道攻击的措施。与其他掩码方案一样，它试图通过向中间状态应用随机值来随机化观察到的泄漏。然而，它减少了掩码字母表的大小，从而限制了泄漏状态的随机化程度。

例如，对于受LEMS保护的AES实现，掩码集M是{0, 1}^8的一个严格子集，使得适用的掩码值数量远小于256。旋转S盒掩码（RSM）方案是LEMS的一个实例，它是一种布尔掩码方案，使用1