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title: CPA Angriff auf Speck
author: Robin Dietrich & Marius Schwarz
data: 17.02.22
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# Agenda
* Speck Chiffre
* CPA Angriffe
* CPA auf Speck
* Gegenmaßnahmen
* Hiding
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# Speck
* Symmentrische ARX Chiffre
* Add/Rotate/XOR
* Effizient und einfach umzusetzen
* Entworfen von der NSA (Zusammen mit der Chiffre Simon)
* Performant in Hard-/Software
* Speck bietet mehrere mögliche Modis
- Anzahl Runden, Schlüssellänge, Blocklänge
* Paper: [Simon and Speck: Block Ciphers for the Internet of Things](https://csrc.nist.gov/csrc/media/events/lightweight-cryptography-workshop-2015/documents/papers/session1-shors-paper.pdf)
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# Speck - Setups
| Speck | Blocklänge | Schlüssellänge | Runden |
| ------------------------------------------------ | --------------------------------------------- | --------------------------------------------- | ----------------------------------------- |
| <span style="color:#d08a1d">**Speck3264**</span> | <span style="color:#d08a1d">**32 Bit**</span> | <span style="color:#d08a1d">**64 Bit**</span> | <span style="color:#d08a1d">**22**</span> |
| Speck4872 | 48 Bit | 72 Bit | 22 |
| Speck4896 | 48 Bit | 96 Bit | 23 |
| Speck6496 | 64 Bit | 96 Bit | 26 |
| Speck64128 | 64 Bit | 128 Bit | 27 |
| Speck9696 | 96 Bit | 96 Bit | 28 |
| Speck96144 | 96 Bit | 144 Bit | 29 |
| Speck128128 | 128 Bit | 128 Bit | 32 |
| Speck128192 | 128 Bit | 192 Bit | 33 |
| Speck1281256 | 128 Bit | 256 Bit | 34 |
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# Speck - Rundenfunktion
{width=400px}
* Wird für die Generierung des Rundenschlüssels aufgerufen
* Wird bei der Verschlüsselung des Klartextes aufgerufen
* Arbeitet auf zwei geteiltem Input
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# Speck - Pseudocode
```C
pt = Plaintext Bytes Pt = Plaintext as 16 Bit Words
ct = Ciphertext Bytes Ct = Ciphertext as 16 Bit Words
k = Key as Bytes K = Key as 16 Bit Words
// Key Schedule
D=K[3], C=K[2], B=K[1], A=K[0]
for i in 0..<22
rk[i]=A
ER16(B, A, i++)
rk[i]=A
ER16(C, A, i++)
rk[i]=A
ER16(D, A, i++)
// Encryption
Ct[0]=Pt[0]; Ct[1]=Pt[1];
for i in 0..<22
ER16(Ct[1], Ct[0], rk[i++])
```
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# Speck - Möglicher Angriff
* Angriff der Rundenfunktion
* ADD/XOR/ROT Operationen
```C
void FuncER16(u16 *x, u16 *y, u16 k)
{
u16 tmp_x = *x;
u16 tmp_y = *y;
*x = (((tmp_x)>>(7)) | ((tmp_x)<<(16-(7)))); // ROR(7)
*x += *y;
*x = *x ^ k;
*y = (((tmp_y)<<(2)) | (tmp_y>>(16-(2)))); // ROL(2)
*y = *y ^ *x;
}
```
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# Speck - Möglicher Angriff
* Der Rundenschlüssel steckt in der XOR Operation:
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# Correlation Power Analysis
* Variante von Differential Power Analysis (DPA)
* Nutzt Pearson Correlation Coefficient (PCC)
* **Bei Speck:** Korrelation zwischen Power-Trace und Rundenschlüssel
* Vorgehen:
- Modell erstellen
- Finden der Korrelationen im Modell
- Anwenden auf Hardware Implementierung
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# Hamming Weight
* Passendes Modell zum 'bewerten' des Stromverbrauchs
* Chip hat ein gewissen Basisverbrauch (IDLE)
* Werden Bytes im Chip verändert ($0 \rightarrow 1 ; 1 \rightarrow 0$), wird Strom benötigt
* Verhalten kann durch die Hamming-Distanz simuliert werden
* **Hamming Distanz:** Anzahl der veränderten Bits:
$$HD(0100101, 0010101) = 2$$
Der Unterschied zweier per XOR verknüpfter Daten, wird als Hamming-Gewicht bezeichnet:
$$HammingDistance(0100101, 0010101) = HammingWeight(0100101 \oplus 0010101)$$
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# Speck - Modell
* Einfaches Modell der Speck Verschlüsselung
* Kann für die ersten 2 Byte des Rundenschlüssels genutzt werden:
```Python
def simple_speck(plaintext, key):
Ct_0 = (int(plaintext[1]) << 8) + int(plaintext[0]) # RIGHT Key
Ct_1 = (int(plaintext[3]) << 8) + int(plaintext[2]) # LEFT Key
Ct_1, Ct_0 = ER16(Ct_1, Ct_0, key) # Calculate Roundfunction
return popcount((Ct_1 << 8) + Ct_0) # Return Hamming Weight (aka Popcount)
```
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# Speck - Simulation
1) Simulation anhand des Modells mit $n$ traces
2) Generieren von $n$ zufälligen Klartexten mit **fixem** Keybyte (+ noise)
3) Simulation aller möglichen Keybytes per Hamming Weight
4) Berechnen des PCC aller Keys über alle traces
$\rightarrow$ Das korrekte Keybyte ist: 0x68
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# Angriff - Hardware
1) Implementierung von Speck auf CW
2) Aufzeichnen von $n$ Power Traces
3) Leakage Test
4) Berechnung des Software Modells
5) Berechnen der Korrelationen zwischen Modell/Powertraces
- Keybyte für Keybyte
- Rückrechnen des Rundenschlüssels
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# T-Test
* Kann verwendet werden, um _Leakage_ zu erkennen
- Gibt das Berechnen einer Chiffre mehr Information zurück als geplant: Leakage
- Ausnutzbar z.B. durch die Power Traces
* Berechnet durch:
* Vergleicht zwei unabhängige Stichproben miteinander
* Je unterschiedlicher die Mittelwerte $\rightarrow$ desto mehr Leakage
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# T-Test
* T-Test der aufgezeichneten Power-Traces:
* Erkennbar, dass Leakage vorhanden sein muss
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# Korrelationen des ersten Keybytes
* Korrelationen des ersten Keybytes
* Korrelation fällt höher aus als im Modell
* Deutliches Maximum der Korrelation bei 0x22 (Korrektes Keybyte)
{width=550px}
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# Problem: Blocksize
* Bei **Speck3264:** Operationen nicht auf Byte, sondern auf 16-Bit Ebene
* Erste Idee: Modell und Korrelation auf $2^16$ Keys
* $\rightarrow$ Keyspace ist abdeckbar (65536 Keys)
* $\rightarrow$ Zu langsam
* $\rightarrow$ Nicht möglich für andere Modis von Speck (32 Bit Subkeys)
* **Lösung:** Modell funktioniert auch auf allen Teilbytes per Shift:
```Python
rightkey = 0x00
for guess_key in range(256):
leftkey = model( (guess_key << 8) + righkey )
for guess_key in range(256):
rightkey = model( (leftkey << 8) + guess_key )
```
* Auch umsetzbar auf Speck mit Blocksize > 16 Bit
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# Problem: $n^{th}$ Keybytes
* Modell kann nur für die ersten zwei Keybytes genutzt werden, da:
```C
for i in 0..<22
ER16(Ct[1], Ct[0], rk[i++])
```
* Die bereits bekannten Rundenschlüssel müssen mit eingeschlossen werden
* Muss an der richtigen Stelle passieren ($\oplus$-Operation)
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# Problem: $n^{th}$ Keybytes
* Anpassung des Modells:
```Python
# -------------- for one key -----------------#
x = ((x << (16 - ALPHA)) + (x >> ALPHA)) & mod_mask # x = ROR(x, 7)
x = (x + y) & mod_mask # x = ADD(x, y)
x = x ^ knownkey[0]
# -------------- for second key -----------------#
y = ((y >> (16 - BETA)) + (y << BETA)) & mod_mask # y = ROL(y, 2)
y = y ^ x # y = XOR(y, x)
x = ((x << (16 - ALPHA)) + (x >> ALPHA)) & mod_mask # x = ROR(x, 7)
x = (x + y) & mod_mask # x = ADD(x, y)
x = x ^ knownkey[1] # x = XOR(x, k)
# -------------- for third key -----------------#
# [...]
```
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# Korrelationen des ersten Keybytes
* Graph zeigt die Korrelationen des ersten Keybytes bis 5000 traces
* Ab ~800 Traces hebt sich die Korrelation deutlich hervor
{width=550px}
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# Gegenmaßnahmen
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# Hiding
* Verstecken des eigentlichen "Leakages" in Rauschen
* $\rightarrow$ Erhöhung des vorhandenen Rauschens während der Berechnung
* Mehrere Möglichkeiten
* Mischen der Instruction-Order
* **Hinzufügen von "Dummy Instructionen"**
* Clock Jitter
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# Hiding - Code
* **Ansatz:** Korrelation kommt von `ER16()`
* Add/XOR/Rotate
* Hinzufügen weitere AXR Operationen um noise zu erhöhen
* Ersetzen von jeder XOR Operation mit folgender Implementierung:
```C
uint16_t XOR(uint16_t a, uint16_t b, int random) {
uint8_t tmp = random ^ 0x5F;
tmp ^= (random ^ a);
tmp ^= (tmp ^ b);
tmp &= (tmp & a);
tmp &= (tmp & b);
return a ^ b;
}
```
* `Random` wird bei jeder Verschlüsslung erneut generiert
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# Hiding - T-Test
* Ergebnisse des T-Tests mit implementierter Hiding Maßnahmen:
* Bedarf weiterer Analysen, denn Unterschiede der beiden T-Tests sind nur minimal
* Laut T-Test **keine** Indikation dass Hiding funktioniert
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# Korrelationen des ersten Keybytes
* Besseres Ergebnis der Korrelationen bis 5000 Traces
* Korrelationen flachen ab ~800 drastisch ab
* Keine Korrelation sticht heraus
{width=550px}
- Es war nicht möglich den Angriff erneut durchzuführen
- Neue Korrelationen nach einigen Tests lediglich bei ~0.18 mit falschem Keybyte
- $\rightarrow$ Maßnahme ist erfolgreich
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# Hiding (potentieller) Bypass
* Korrelation sollte weiterhin möglich sein, wenn die Operationen in Betracht gezogen werden
* Schwierigkeit hängt am Zufallszahlengenerator
* **Problem:** Sichere Zufallszahlen auf Embedded Chips sind nicht trivial
$\rightarrow$ Bypass konnte **nicht** realisiert werden
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# Referenzen
* [Improved Differential Cryptanalysis of Round-Reduced Speck](Improved Differential Cryptanalysis of Round-Reduced Speck)
* [Breaking Speck cryptosystem using correlation power analysis attack](Breaking Speck cryptosystem using correlation power analysis attack)
* [Speck-R: An ultra light-weight cryptographic scheme for Internet of Things]({Speck-R: An ultra light-weight cryptographic scheme for Internet of Things)