檢測RIPEMD‑160算法抵禦差分故障攻擊的方法與流程
2023-08-10 20:23:21
本發明涉及一種檢測RIPEMD-160雜湊密碼算法抵禦差分故障攻擊的方法，用於評測出該算法抵禦差分故障攻擊的能力，主要應用在檢驗封裝有該算法的產品的安全性。
背景技術：
隨著大數據時代的到來，各種各樣的信息存儲在網絡伺服器中，如何防止攻擊者的主動攻擊，並保證這些信息的完整性，成為保證數據安全的核心問題。RIPEMD-160算法是由歐洲研究學者提出的一種雜湊密碼，具有抗第一原像性、抗第二原像性和無碰撞性，是信息完整性保護的基礎部件。
差分故障攻擊是一種將故障攻擊與差分分析相結合密碼攻擊技術。它針對密碼算法的結構和輪函數的特性，通過在算法執行時導入故障，分析其對輸出的影響，最終獲得關鍵信息。在對RIPEMD-160算法抵禦差分故障攻擊的能力評測方面，目前還沒有公開的分析方法，這就給封裝有RIPEMD-160雜湊算法的密碼設備的安全性帶來了隱患。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種評估RIPEMD-160算法抵禦查分故障攻擊能力的方法。
為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種檢測RIPEMD-160算法抵禦差分故障攻擊的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：隨機生成要處理的明文消息X；
步驟2：利用RIPEMD-160算法處理明文消息X，RIPEMD-160算法對消息按512比特長的分組為單位進行處理，總共由5輪運算組成，每一輪都對緩存區進行16步迭代運算，輸出為160比特的雜湊值，將得到的正確輸出Y和錯誤輸出Y*保存於160比特的緩存區中，其中，緩存區用5個32比特長的寄存器A，B，C，D，E表示；
步驟3：計算正確輸出Y和錯誤輸出Y*的差分值ΔY，令ΔY＝(ΔY0，ΔY1，ΔY2，ΔY3，ΔY4)，保存於5個32比特長的寄存器A，B，C，D，E表示的緩存區中，ΔY0，ΔY1，ΔY2，ΔY3，和ΔY4均為32比特，分別代表緩存區中最後一輪輸出結果的差分：
步驟4：分析差分值ΔY，判斷RIPEMD-160算法是否受到差分故障攻擊的影響，並推導出故障導入的位置，分析其有效性，令Ai，Bi，Ci，Di，Ei分別為第i步迭代運算緩存區的寄存器A，B，C，D，E中的值，i∈[1，80]，則具體方法為：
(1)有效故障：
I)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3≠0時，故障導入的位置為C77；
II)當ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4≠0時，故障導入的位置為B77；
III)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中均不為0時，故障導入的位置為B76以及B76之前的任何位置；
(2)無效故障：
I)當ΔY＝0時，說明導入的故障值等於當前位置上的原值，相當於沒有導入故障，故障無效；
II)當ΔY≠0時：
(i)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中有且僅有一個不為0時：
a)當ΔY0≠0時，故障導入的位置為A80；
b)當ΔY1≠0時，故障導入的位置為B80或E80；
c)當ΔY2≠0時，故障導入的位置為C80；
d)當ΔY3≠0時，故障導入的位置為D80；
e)當ΔY4≠0時，故障導入的位置為E80。
(ii)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中只有兩個同時不為0時，
a)當ΔY1≠0且ΔY0≠0時，故障導入的位置為E79；
b)當ΔY1≠0且ΔY2≠0時，故障導入的位置為B79；
c)當ΔY1≠0且ΔY3≠0時，故障導入的位置為C79；
d)當ΔY1≠0且ΔY4≠0時，故障導入的位置為D79；
(iii)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中只有三個同時不為0時，
a)當ΔY0、ΔY1、ΔY2≠0時，故障導入的位置為D78；
b)當ΔY1、ΔY2、ΔY3≠0時，故障導入的位置為B78；
c)當ΔY1、ΔY2、ΔY4≠0時，故障導入的位置為C78。
優選地，在所述步驟2中，在用RIPEMD-160算法對明文消息X處理的過程中，使用兩種實驗環境控制從而得到正確輸出Y和錯誤輸出Y*，具體步驟如下：
步驟2.1：輸入明文消息X，保證實驗環境不受其他任何不相關事物的幹擾，讓RIPEMD-160算法能夠正確無誤地進行，從而得到正確輸出Y；
步驟2.2：重新輸入明文消息X，再次用RIPEMD-160算法對其加密處理，同時藉助其他物理設備改變運行環境，誘導產生故障來幹擾RIPEMD-160算法的處理過程，從而得到錯誤輸出Y*。
優選地，在所述步驟2.2中，改變運行環境誘導產生故障的方法包括：改變時鐘、電壓、溼度、輻射、壓力、光和渦電流，將故障隨機地導入RIPEMD-160算法處理過程，以得到錯誤輸出Y*。
本發明提供的方法簡單準確，易於實現，不僅可以評估RIPEMD-160算法對差分故障攻擊的抵抗能力，還能推導出差分故障攻擊導入的位置，給使用RIPEMD-160算法封裝的產品的安全性測評提供了理論依據。
附圖說明
圖1為RIPEMD-160算法抵禦差分故障攻擊的方法流程圖；
圖2為RIPEMD-160算法差分故障攻擊分析路徑圖；
圖3為檢驗RIPEMD-160抵禦差分故障攻擊能力實驗環境示意圖。
具體實施方式
為使本發明更加清晰明了，現列出優選實施例，詳細的配圖說明如下所示。
使用RIPEMD-160算法對於同一個明文消息X使用同一個密鑰進行處理時，如果實驗環境(如時鐘、電壓、溼度、輻射、壓力、光和渦電流等)不同，攻擊者可以分別獲得正確輸出Y和錯誤輸出Y*，通過計算出這兩個值的輸出差分值，即表示異或運算，就可推導出關鍵信息。攻擊者可以在處理設備運行RIPEMD-160算法期間誘導故障發生，但是不知道故障發生的具體位置以及具體的錯誤值。在某些特定條件下，能從差分ΔY中推導出故障導入的位置，此時導入的故障稱為有效故障。相反，當導入故障為無效故障的時候，本次導入的故障並不能給分析密鑰提供幫助，即通過ΔY不能得到重要的信息。
圖1為本發明提供的檢測RIPEMD-160算法抵禦差分故障攻擊的方法的流程圖，所述的檢測RIPEMD-160算法抵禦差分故障攻擊的方法包括如下步驟：
步驟1：隨機生成要處理的明文消息X；
步驟2：處理明文消息X，得到正確輸出Y和錯誤輸出Y*；
步驟3：計算正確輸出Y和錯誤輸出Y*的差分值ΔY；
步驟4：分析差分值ΔY，推斷出導入位置，並判斷導入故障是否有效。
針對步驟2，用RIPEMD-160算法對明文消息X進行處理，實驗過程中，對運行環境實施兩種不同的控制，即：
(1)輸入明文消息X，控制實驗環境不受其他任何不相關事物的幹擾，使得RIPEMD-160算法能夠正確無誤地進行，從而得到正確輸出Y；
(2)重新輸入明文消息X，再次用RIPEMD-160算法對其進行處理，同時藉助其他物理設備改變運行環境，誘導產生故障來幹擾RIPEMD-160算法的處理過程，從而得到錯誤輸出Y*。
其中，步驟(2)中誘導故障產生的方法包括：改變時鐘、電壓、溼度、輻射、壓力、光和渦電流等；
針對步驟3，計算差分其中代表異或運算，ΔY為160比特，令ΔY＝(ΔY0，ΔY1，ΔY2，ΔY3，ΔY4)，保存於160比特的緩存區中，緩存區用5個32比特長的寄存器(A，B，C，D，E)表示，令ΔY＝(ΔY0，ΔY1，ΔY2，ΔY3，ΔY4)，ΔY0，ΔY1，ΔY2，ΔY3，和ΔY4均為32比特，分別代表緩存區中最後一輪輸出結果的差分；
針對步驟4，對ΔY的差分分析及確定故障位置的原理如下：
RIPEMD-160算法對消息按512比特長的分組為單位進行處理，總共由5輪運算組成，每一輪都對緩存區進行16步迭代運算，輸出為160比特的雜湊值，RIPEMD-160的中間結果和最終結果保存於160比特的緩存區中，緩存區用5個32比特長的寄存器(A，B，C，D，E)表示，如圖2所示，第i+1步的迭代公式如下：
Ai+1＝Ei，
Ci+1＝Bi，
Di+1＝Rq(Ci)，
Ei+1＝Di。
其中，代表異或運算，i是迭代的步數，i∈[0，79]，Ai、Bi、Ci、Di、Ei是第i步迭代運算緩存區的寄存器(A，B，C，D，E)中的值，fi(B，C，D)是第i步迭代運算的基本邏輯函數，S是32比特的變量循環左移p位，R是32比特的變量循環左移q位，Wi是從當前輸入的512比特的分組導出的32比特長的字，Ki是加法常量。
RIPEMD-160算法的正確輸出Y為：
(A0，B0，C0，D0，E0)為緩存區中的初始值，將其代入上述等式即可得到最後的輸出結果(A80，B80，C80，D80，E80)。在此，我們考慮
將B79＝C80，Rq(C79)＝D80，D79＝E80，E79＝A80，代入B80得知在上述等式中，只有A79和W79是未知的，而攻擊者的目的是要恢復W79，如果A79的值是已知的，那麼W79就可以由以下等式求解得到：
根據算法結構可知A79＝E78，即求得E78的值便可知道A79，這樣我們就可以推導出W79。
同理，我們也可以得到：
上式中要推導出W78，需要知道A78和E78，又因為A78＝E77，所以我們需要知道E78和E77的值，才能求得W78。
通過分析當故障導入的位置在C77時，可以求得E78和E77的值，進而推導出W78和W79。由RIPEMD-160算法的結構可以看出，同理當故障導入在B77時，與故障導入在C77時的作用是完全相同。因而B77或C77為有效的故障位置。
其中，對故障位置的有效性，具體分析如下：
(1)有效故障：
I)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3≠0時，故障導入的位置為C77；
II)當ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4≠0時，故障導入的位置為B77；
III)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中均不為0時，故障導入的位置為B76以及B76之前的任何位置；
(2)無效故障：
I)當ΔY＝0時，說明導入的故障值等於當前位置上的原值，相當於沒有導入故障，故障無效；
II)當ΔY≠0時：
(i)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中有且僅有一個不為0時，
a)當ΔY0≠0時，故障導入的位置為A80；
b)當ΔY1≠0時，故障導入的位置為B80或E80；
c)當ΔY2≠0時，故障導入的位置為C80；
d)當ΔY3≠0時，故障導入的位置為D80；
e)當ΔY4≠0時，故障導入的位置為E80；
(ii)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中只有兩個同時不為0時，
a)當ΔY1≠0且ΔY0≠0時，故障導入的位置為E79；
b)當ΔY1≠0且ΔY2≠0時，故障導入的位置為B79；
c)當ΔY1≠0且ΔY3≠0時，故障導入的位置為C79；
d)當ΔY1≠0且ΔY4≠0時，故障導入的位置為D79；
(iii)當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中只有三個同時不為0時，
a)當ΔY0、ΔY1、ΔY2≠0時，故障導入的位置為D78；
b)當ΔY1、ΔY2、ΔY3≠0時，故障導入的位置為B78；
c)當ΔY1、ΔY2、ΔY4≠0時，故障導入的位置為C78。
綜上分析，當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3≠0時，導入的故障位置為C77，當ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4≠0時，導入的故障位置為B77，當ΔY0、ΔY1、ΔY2、ΔY3、ΔY4中均不為0時，導入的故障位置為B76及B76之前的任何位置，這些位置均為有效的故障導入位置。
針對上述執行步驟，選擇實驗環境如圖3所示，其中用計算機來產生RIPEMD-160的輸入消息X以及分析輸出結果；封裝有RIPEMD-160算法的設備用來處理輸入的消息；產生故障的設備用來改變實驗執行環境，目的是幹擾對輸入消息的處理過程，從而實現導入故障功能，產生錯誤的輸出結果。
利用上述分析方法，本發明在Intel(R)Core(TM)i5-3210M CPU 2.50GHz 4GB內存的計算機上，在Eclipse開發工具下採用Java語言編程來模擬故障導入和消息處理過程，重複執行1000次，實驗結果表明上述檢測方法準確無誤。該方法為評估RIPEMD-160算法的安全性提供了充分的理論依據，而且此方法操作簡單，結果準確。