SM4抗差分功耗分析轻量级门限实现

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022101579

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (11): 3490-3496.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022101579

所属专题：网络空间安全

SM4抗差分功耗分析轻量级门限实现

蒲金伟, 高倾健, 郑欣(), 徐迎晖

广东工业大学自动化学院，广州 510006

收稿日期:2022-10-24 修回日期:2022-12-29 接受日期:2023-01-03 发布日期:2023-04-12 出版日期:2023-11-10
通讯作者: 郑欣
作者简介:蒲金伟（1998—），男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向：密码算法侧信道防护
高倾健（1997—），男，广东普宁人，硕士研究生，主要研究方向：密码算法侧信道防护
郑欣（1993—），女，湖北咸宁人，博士，主要研究方向：SoC设计、软硬件协同设计、图神经网络 xinzheng9209@gmail.com
徐迎晖（1977—），男，湖南长沙人，副教授，博士，主要研究方向：信息安全、嵌入式系统、多媒体信号处理。
基金资助:
广东省基础与应用基础研究基金资助项目(2021A1515110777)

SM4 resistant differential power analysis lightweight threshold implementation

Jinwei PU, Qingjian GAO, Xin ZHENG(), Yinghui XU

School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China

Received:2022-10-24 Revised:2022-12-29 Accepted:2023-01-03 Online:2023-04-12 Published:2023-11-10
Contact: Xin ZHENG
About author:PU Jinwei， born in 1998， M. S. candidate. His research interests include cryptographic algorithm side-channel protection.
GAO Qingjian， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include cryptographic algorithm side-channel protection.
ZHENG Xin， born in 1993， Ph. D. Her research interests include SoC （System on Chip） design， software and hardware co-design， graph neural network.
XU Yinghui， born in 1977， Ph. D.， associate professor. His research interests include information security， embedded systems， multimedia signal processing.
Supported by:
Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2021A1515110777)

摘要/Abstract

摘要：

针对SM4门限实现（TI）面积大、随机数消耗多的问题，提出一种SM4门限实现的改进方案。在满足门限实现理论的情况下，对S盒非线性求逆进行了无随机共享，并引入面向域的乘法掩码方案，将S盒随机数消耗减少至12 bit；基于流水线思想，设计了新的8 bit数据位宽的SM4串行体系结构，复用门限S盒，并优化SM4线性函数，使SM4门限实现面积更加紧凑，仅6 513 GE，相较于128 bit数据位宽的SM4门限实现方案，所提方案的面积减小了63.7%以上，并且更好地权衡了速度和面积。经侧信道检验，所提出的改进方案具备抗一阶差分功耗分析（DPA）能力。

关键词: SM4, 差分功耗分析, 门限实现, S盒, 非线性求逆, 无随机共享, 面向域的乘法掩码方案

Abstract:

Aiming at the problems of large area and large consumption of fresh randomness in Threshold Implementation （TI） of SM4， an improved threshold implementation scheme of SM4 was proposed. In the case of satisfying the threshold implementation theory， the operation of S-box nonlinear inversion was shared with no fresh randomness， and a domain-oriented multiplication mask scheme was introduced to reduce the fresh randomness consumption of S-box to 12 bits. Based on the idea of the pipeline， a new SM4 serial architecture with 8-bit data width was designed. The threshold implementation of S-box was reused， and the linear function of SM4 was optimized to make the area of threshold implementation of SM4 more compact， only 6 513 GE. In comparison with the TI scheme of SM4 with 128-bit data width， the area of the proposed scheme is reduced by more than 63.7%， and there is a better trade-off between speed and area. The side-channel experimental results show that the proposed scheme has the capability of anti-first-order Differential Power Analysis （DPA）.

Key words: SM4, Differential Power Analysis (DPA), Threshold Implementation (TI), S-box, nonlinear inversion, shared with no fresh randomness, domain-oriented multiplication mask scheme

中图分类号:

TP309.2

蒲金伟, 高倾健, 郑欣, 徐迎晖. SM4抗差分功耗分析轻量级门限实现[J]. 计算机应用, 2023, 43(11): 3490-3496.

Jinwei PU, Qingjian GAO, Xin ZHENG, Yinghui XU. SM4 resistant differential power analysis lightweight threshold implementation[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(11): 3490-3496.

图/表 12

图1 复合域S盒结构

Fig. 1 Composite domain S-box structure

图 2 SM4 S盒门限实现结构

Fig. 2 Structure of threshold implementation of SM4 S-box

图3 DOM乘法掩码结构

Fig. 3 DOM-based multiplication mask structure

图4 线性函数优化结构

Fig. 4 Linear function optimization structure

图5 SM4门限实现串行体系结构

Fig. 5 Structure of the serialized threshold implementation of SM4

图6 SM4状态寄存器

Fig. 6 SM4 state registers

图7 SM4密钥寄存器

Fig. 7 SM4 key registers

图8 关闭与开启PRNG的功耗曲线

Fig. 8 Power consumption curves with PRNG close and open

图9 关闭与开启PRNG的CPA结果

Fig. 9 CPA results with PRNG close and open

图10 关闭与开启PRNG的一阶t检验结果

Fig. 10 First order t-test results with PRNG close and open

表1 SM4门限实现设计比较

Tab. 1 Comparison of threshold implementation of SM4

方案来源	面积/GE		时钟数	随机数/bit	ATP
方案来源	compile	compile_ultra	时钟数	随机数/bit	ATP
文献［9］	18 709	—	160	—	59.86
文献［7］	28 000	—	160	58	89.60
文献［8］	22 000	—	192	108	84.40
本文方案	6 796	6 513	292	12	38.00

表2 SM4门限实现模块面积

Tab. 2 Module area of threshold implementation of SM4

模块	面积/GE		模块	面积/GE
模块	compile	compile_ultra	模块	compile	compile_ultra
门限S盒	2 197	2 095	控制模块	240	177
状态寄存器	2 682	2 603	门限SM4	6 796	6 513
密钥寄存器	1 677	1 638

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SM4 resistant differential power analysis lightweight threshold implementation

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