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物联网环境中LED轻量级密码算法的统计故障分析研究

更新时间：2019-12-08 12:52:53 大小：960K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 LED 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

LED算法是于2011年密码硬件与嵌入式系统国际会议(CHES)中提出的一种典型轻量级密码算法,用于在物联网环境下保护RFID标签以及智能卡等设备的通信安全.故障分析凭借其攻击速度快、实现简单和难以防御等特点,已成为评测轻量级密码算法安全性的一种重要手段.提出了针对LED算法的新型统计故障分析方法,采用面向半字节的故障模型,分别使用SEI区分器、GF区分器和GF-SEI双重区分器对算法进行统计分析.实验结果表明:在较短时间内以99%的成功概率恢复出LED算法的64b和128b原始密钥.该攻击方法不仅可以在唯密文攻击条件下实现,而且提升了故障攻击效率,降低了故障数,为物联网环境下其他轻量级密码的安全性分析提供了重要参考.

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计算机研究与发展

Journal of Computer Research and Development

DOI ：１０．７５４４/issn１０００‐１２３９．２０１７．２０１７０４３７

５４（１０）：２２０５２２１４，２０１７

物联网环境中 LED 轻量级密码算法的统计故障分析研究

李

玮^{１，２，３}葛晨雨^１谷大武^２廖林峰^１高志勇^１

郭

筝^４

刘

亚^５刘志强^２石秀金^１

^１（东华大学计算机科学与技术学院上海２０１６２０）

^２（上海交通大学计算机科学与工程系上海２００２４０）

^３（上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室（上海交通大学）上海２００２４０）

^４（上海交通大学微电子学院上海２００２４０）

^５（上海理工大学计算机科学与工程系上海２０００９３）

（liwei ．cs ．cn＠ mail ．com）

Research on the LED Lightweight Cipher Against the Statistical Fault Analysis in

Internet of Things

１，２，３

１

２

１

４

５

Li Wei

，Ge Chenyu ，Gu Dawu ，Liao Linfeng ，Gao Zhiyong ，Guo Zheng ，Liu Ya ，

２

１

Liu Zhiqiang ，and Shi Xiujin

^１（School o Com uter Science and Technolo ，Don hua Universit ，Shan hai ２０１６２０）

^２（De artment o Com uter Science and En ineering ，Shan hai Jiao Ton Universit ，Shan hai ２００２４０）

^３（Shan hai Ke Laborator

Inte rate A dministration Technolo ies or In ormation Securit （Shan hai Jiao Ton

f g g f f y g g

Universit ），Shan hai ２００２４０）

^４（School o Microelectronics ，Shan hai Jiao Ton Universit ，Shan hai ２００２４０）

^５（De artment o Com uter Science and En ineering ，Universit

Shan hai or Science and Technolo ， Shan hai

２０００９３）

Abstract The typical lightweight cipher LED ， roposed in CHES ２０１１，is applied in the Internet of

things （IoT） to provide security for RFID tags and smart cards etc ．Fault analysis has become an

important method of cryptanalysis to evaluate the security of lightweight ciphers ，depending on its

fast speed ，simple implementation ，complex defense ，etc ．On the basis of the half byte‐oriented fault

model ，we propose new statistical fault analysis on the LED cipher by inducing faults ．Simulating

experiment shows that our attack can recover its ６４‐bit and １２８‐bit secret keys with ９９％ robability

using an SEI distinguisher ，a GF distinguisher and a GF‐SEI distinguisher ，respectively ．The attack

can be implemented in the ciphertext‐only attacking environment to improve the attacking efficiency

and decrease the number of faults ．It provides vital referencefor security analysis of other lightweight

ciphers in the Internet of things ．

－

收稿日期：２０１７０６１１；修回日期：２０１７０７３１

基金项目：国家“九七三”重点基础研究发展计划基金项目（２０１３CB３３８００４）；国家自然科学基金项目（６１６７２３４７，６１７７２１２９，６１４０２２８８，６１４０２２８６，

６１４０２２５０，６１５７２１９２）；上海市自然科学基金项目（１５ZR１４００３００，１６ZR１４０１１００）；上海市教育委员会科研创新重点项目（１４ZZ０６６）；

上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室开放课题（AGK２０１７０３）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（０４０）

This work was supported by the NationalBasic Research Program of China （９７３ Program）（２０１３CB３３８００４），the National Natural

Science Foundation of China （６１６７２３４７，６１７７２１２９，６１４０２２８８，６１４０２２８６，６１４０２２５０，６１５７２１９２），the Shanghai Natural Science

Foundation （１５ZR１４００３００，１６ZR１４０１１００），the Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission （１４ZZ０６６），

the Opening Project of Shanghai Key Laboratory of Integrated Administration Technologies for Information Security

（AGK２０１７０３），and the Fundamental Research Funds for the Central Universities （０４０）．

_通信作者万_：石方_秀金数_（据_{sxj＠ dhu ．edu ．cn）}

计算机研究与发展２０１７，５４（１０）

２２０６

Key words Internet of things （IoT）；lightweight cipher ；LED ；statistical fault analysis ；cryptanalysis

摘

^要LED算法是于２０１１年密码硬件与嵌入式系统国际会议（CHES）中提出的一种典型轻量级密码

算法，用于在物联网环境下保护 RFID 标签以及智能卡等设备的通信安全．故障分析凭借其攻击速度

快、实现简单和难以防御等特点，已成为评测轻量级密码算法安全性的一种重要手段．提出了针对 LED

算法的新型统计故障分析方法，采用面向半字节的故障模型，分别使用 SEI 区分器、GF 区分器和 GF‐

SEI双重区分器对算法进行统计分析．实验结果表明：在较短时间内以９９％的成功概率恢复出 LED 算

法的６４b和１２８b原始密钥．该攻击方法不仅可以在唯密文攻击条件下实现，而且提升了故障攻击效

率，降低了故障数，为物联网环境下其他轻量级密码的安全性分析提供了重要参考．

关键词物联网；轻量级密码；LED ；统计故障分析；密码分析

中图法分类号 TP３０９．７

物联网（Internet of things ，IoT）是通过使用射

频识别、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫

描器等信息采集设备，按照约定的协议把任何物品

与互联网连接起来进行信息交换和通信，以实现智

能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络^［１］．物

联网代表了未来计算与通信技术的方向，被认为是

继计算机、Internet 之后，信息产业领域的第三次发

展浪潮．随着物联网建设的加快，物联网的安全问题

必然成为制约物联网全面发展的重要因素^［２］．

与互联网安全技术相比，物联网安全技术更具

大众性和平民性，与人类的日常生活密切相关，这就

要求物联网安全技术采用低成本、简单、易用、轻量

级的解决方案^{［３‐４］}．在２０１１年召开的密码硬件与嵌

入式系统国际会议（CHES）上，Guo 等人提出的

LED算法就是一种典型的轻量级密码算法，相较于

其他轻量级密码算法，它的软硬件执行效率更高、适

应环境的能力更强，是应用于物联网安全中的算法

国内外从事密码和微电子研究学者的极大关注，并

成为密码分析和密码工程领域发展最为迅速的方向

之一^［１４］．

在故障分析的发展历程中，先后产生了差分故

障分析（differentialfault analysis ，DFA）、代数故障

分析（algebra fault analysis ，AFA）、不可能故障分

析（impossible differential fault analysis ，IDFA）以

及统计故障分析（statistical fault analysis ，SFA）等

多种方法．随着故障注入精度以及软硬件逆向技术

的不断提高，对密码载体成功实施故障攻击所依赖

的前提条件不断减弱，成本不断下降，故障分析环境

已经在一定程度上可以控制，从而使这些故障分析

在面向物联网环境中逐步发展为攻击密码体制的主

要方法．

不同于其他故障分析方法，统计故障分析是唯

一现有的可以在唯密文攻击（ciphertext‐only attacks ，

COA）条件下进行攻击的技术，它在面向物联网等

实际环境中更易实现且难以防御，攻击者只要统计

故障密文的特性，就能以低的计算量和存储量推导

出正确的密钥．目前，在 LED 算法抗统计故障攻

击的安全性方面，国内外尚未发现有公开发表的结

果．在深入分析 LED 算法后，本文提出了一种针对

LED算法的新型统计故障分析方法，不仅提高故障

导入的效率，而且使用较少的故障数即可恢复原始

密钥，对于保护物联网的通信安全，对于增强密码装

备的自主设计、开发和分析能力，无疑都具有重要意

义和价值．

佼佼者^{［５‐１３］}

．

在物联网环境下，轻量级密码的许多硬件实现

和以硬件为表现形式的软件实现环境中，譬如手机

SIM 、IC银行卡、物流 RFID、手持无线设备、数字无

绳电话、NFC近场通信设备、蓝牙、汽车遥控锁、各

类交通卡、校园卡、门禁卡和高端身份卡等密码载体

等，攻击者往往不仅具备传统密码攻击的条件，而且

还可以通过电路剖析和软件逆向分析等手段获得算

法的硬件结构和编码实现方法，并可以观察和测量

密码变换等信息，“干预”密码变换的正常运行使其

出错．攻击者利用这些额外的出错信息有可能实现

比传统分析技术更有效地破译密码．这种环境下的

攻击被称为“故障分析（fault analysis ，FA）” ．由于

1 研究背景

万方数据

其成功的攻击效果和潜在的发展前景，已经引起了

１９９７年 Boneh等人利用随机故障成功破译 RSA

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