In response to the threat of a future, large-scale, quantum computer, the American National Institute of Standards and Technology (NIST) initiated a competition for designs of quantum-resistant cryptographic primitives. In 2022, the lattice-based Module-Learning With Errors (M-LWE) scheme Kyber emerged as the winner to be standardized. The standardization procedure and development of secure implementations call for thorough evaluation and research. One of the main threats to implementations of cryptographic algorithms today is Side-Channel Analysis (SCA), which is the topic of this thesis. Previous work has presented successful power-based attacks on implementations of lattice cryptography protected by masking and even masking combined with shuffling. Shuffling makes SCA harder as the order of independent instructions is randomized, reducing the correlation between operations and power consumption. This randomization is commonly implemented by shuffling the order of the indexes used to iterate over a loop, using the modern Fisher-Yates algorithm. This work describes a new attack that defeats the shuffling countermeasure by first attacking the generation of the index permutation itself. The attack first recovers the positions of the first and last indexes, 0 and 255, and then rotates the encrypted messages using a ciphertext malleability applicable to many ring-based LWE schemes to shift two bits into the known positions from which they can be recovered. This procedure is repeated to recover full messages in 128 rotations. The attack is tested and evaluated on masked and shuffled implementations of Kyber as well as Saber, another similar finalist of the NIST competition which is based on the Module-Learning With Rounding (M-LWR) problem. Compared to the previous attack on masked and shuffled Saber, which required 61,680 traces, the 4,608 needed for this attack demonstrates a 13-fold improvement. / Som svar på hotet från en framtida, storskalig kvantdator initierade amerikanska National Institute of Standards and Technology (NIST) en tävling för design av kvantsäker kryptografi. Den gitter-baserade Module-Learning With Errors algoritmen Kyber valdes 2022 till vinnare och därmed till att standardiseras. Standardiseringsprocessen och utvecklingen av säkra implementationer manar till utvärderingar och forskning. Ett av de primära hoten mot implementationer av kryptografiska algoritmer är sidokanalsanalys, vilket är fokus i detta arbete. Tidigare attacker har genom effektanalys demonsterat lyckade attacker på implementationer av gitter-baserade algoritmer skyddade genom maskering samt maskering och slumpad ordning av operationer. Slumpad ordning av oberoende operationer gör sidokanalsanalys svårare då korrelationen till effektförbrukningen minskar. Denna slumpordning brukar vanligtiv implementeras genom att slumpmässigt permutera, med den moderna implementationen av Fisher-Yates, de index som används i en kodslinga. I detta arbete presenteras en ny attack som till först extraherar positionen av det första och det sista indexen, 0 och 255, innan de två motsvarande meddelandebitarna extraheras. Bitarna i meddelandet roteras till de kända positionerna med en metod för skiffertextmanipulation som är vanlig bland ring-baserade LWE-designer. Denna process upprepas 128 gånger för att få fram hela meddelandet. Attacken has testats och utvärderats på implementationer, skyddade genom maskering kombinerad med slumpad operationsordning, av både Kyber och en liknande NIST-finalist, Saber. Jämfört med den tidigare attacken på Saber med samma skyddsåtgärder minskar den nya metoden det antal mätningar som krävs från 61,608 till 4,608, vilket motsvarar en 13-falding förbättring.
Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-329203 |
Date | January 2023 |
Creators | Backlund, Linus |
Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
Language | English |
Detected Language | English |
Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
Format | application/pdf |
Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Relation | TRITA-EECS-EX ; 2023:121 |
Page generated in 0.0023 seconds