Page 416 - 《软件学报》2026年第2期

魏淙洺 等: 私有算法密码芯片非入侵式攻击检测框架 895

observation and cross-correlation analysis are presented for simple power/electromagnetic analysis tests. Finally, for differential power
analysis, TVLA-1 and TVLA-2 are employed to detect leakages from various sources and evaluate the vulnerabilities of private-algorithm
cryptographic chips to differential power attacks. The proposed framework serves as an effective supplement to traditional non-invasive
attack detection, significantly expanding its application range. To verify the effectiveness of the framework, black-box experiments are
conducted on several cryptographic chips. The results demonstrate that the framework can effectively assess the resilience of private-
algorithm cryptographic chips against non-invasive attacks.
Key words: non-invasive attack; private algorithm; cryptographic chip; timing analysis; power analysis

传统密码分析技术通过分析密码算法执行的明密文来恢复密钥, 关注的是算法本身的安全性, 然而, 随着算法
[1]
设计能力的大幅提升, 传统密码分析手段很难实现实际的密钥恢复攻击. 1996 年, 美国密码学家 Kocher 提出侧
信道攻击方法. 侧信道攻击是极具实用性和破坏性的非入侵式攻击方法, 通过获取密码设备在执行加密等运算过
程中意外泄露的侧信息来恢复密钥等关键安全参数. 计时攻击 [1] 、能量攻击 [2] 、电磁攻击 [3] 、缓存攻击 [4] 、声音
攻击等都属于非入侵式攻击, 该技术的有效性远高于密码分析数学方法, 以简单、直观、成本低等特点, 迅速受到
广泛关注, 现已成为密码设备安全性的重要威胁之一 [5] .
非入侵式攻击技术的发展, 对密码设备物理安全性提出了更高的要求, 目前国内外主流芯片测评机构均把抗非
入侵式攻击能力作为衡量芯片安全性的主要指标, 与密码安全相关的国内、国际标准也都对非入侵式安全提出了具
体要求. 密码芯片需要具备缓解非入侵式攻击的能力, 从而能够抵御非入侵式攻击, 保障关键信息基础设施的安全.
目前, 侧信道分析领域大多针对公开的密码算法展开研究, 在密码安全相关的标准中, 关于非入侵式攻击的检
测方法也是针对已有公开算法进行规定说明的. 然而, 为了提高安全性, 军事等关键领域的密码设备可能使用私有
算法, 私有算法包括未公开的密码算法, 如我国的国密算法 SM1 和 SM7, 或者基于公开算法进行修改后的算法,
如使用未知 S 盒的 AES 算法. 在未知算法细节的情况下, 对于私有算法密码芯片的安全性检测尤为重要, 但目前
关于这一问题的研究甚少, 缺少明确针对私有算法密码芯片的非入侵式攻击检测技术.
本文研究黑盒条件下私有算法密码芯片非入侵式攻击检测方法, 提出了私有算法密码芯片的非入侵式攻击检
测框架, 主要贡献如下.
(1) 该框架针对黑盒条件下私有算法密码芯片开展非入侵式攻击检测研究, 大大扩展了密码芯片非入侵式安
全的检测范围. 整个框架包含私有密码算法的计时分析检测、简单能量/电磁分析检测、差分能量/电磁分析检测
这 3 部分, 并在各部分中对面向公钥密码、分组密码两大类密码算法的适用性展开讨论, 以期提高非入侵式攻击
检测的准确性.
(2) 该框架重点研究面向私有密码算法的能量/电磁分析. 对于简单能量/电磁分析检测, 该框架使用视觉观察
和交叉关联方法检测不规则操作序列, 进而判断波形与密钥之间的关系, 能够在黑盒条件下检测私有算法密码芯
片的抗简单能量攻击能力. 对于差分能量/电磁分析检测, 该框架提出基于 TVLA-1 和 TVLA-2 的双重检测方法,
分别从固定明文和固定密钥两个方面有效检测私有算法密码芯片的能量信息泄露. 这两种方法所检测的泄露来源
不同, 能够多方面保障算法安全. 最后, 我们使用多款私有算法密码芯片开展测评应用实验, 对私有算法密码芯片
非入侵式攻击检测框架的有效性进行验证.
(3) 该框架并不局限于私有算法, 同样可以应用于公开算法, 在一定程度上能够保障公开算法密码芯片的安全
性, 具有很强的普适性.
本文第 1 节为预备知识, 介绍非入侵式攻击检测的相关研究工作, 并为后续章节提供理论支持. 第 2 节提出私
有算法密码芯片非入侵式攻击检测框架. 第 3 节通过测评应用实验对私有算法密码芯片非入侵式攻击检测进行验
证. 第 4 节对全文进行总结.

1 预备知识

1.1 非入侵式安全检测技术
随着非入侵式攻击技术的迅速发展, 非入侵式安全成为衡量密码设备安全性的重要因素, 如何保障密码设备