Fault Attack Technique Against Software Implementation of a Block Cipher

In this paper a fault attack technique against software implementation of a block cipher is described. Implementation for 8-bit processor (similar to those used in embedded applications e.g. smart cards) was examined. There is shown that 2 specific pairs plaintext - faulty ciphertext suffice to break the cipher. The method was illustrated in PP-1 cipher, but it is applicable to any software implementations of the Substitution-Permutation Networks such that the main key, or all the round keys. It can be deduced from round key for the first round.

---

W artykule przedstawiono atak na szyfr blokowy przy użyciu celowo wprowadzanych defektów. Taka metoda ataku (ang. fault attack) należy do najskuteczniejszych metod łamania szyfrów. Najczęściej wykorzystywana jest do atakowania implementacji sprzętowych szyfru. W prezentowanej pracy za przedmiot badań wybrano implementację programową, przy czym procesor wraz z programem w pamięci traktowany był jak układ sprzętowy. Wybrano 8-bitowy procesor (podobny do wykorzystywanego w kartach procesorowych (ang. smart cards)). Eksperymenty przeprowadzono posługując się specjalnie opracowaną maszyną wirtualną rozszerzoną o moduł do wstawiania uszkodzeń. Wykorzystano następujące modele uszkodzeń: sklejenie z zerem, sklejenie z jedynką i odwrócenie wartości bitu. Przedmiotem eksperymentów był szyfr blokowy o nazwie PP-1. W pracy krótko przedstawiono zasadę działania algorytmu szyfrującego. Następnie przeanalizowano wpływ defektów na wyniki szyfrowania. Rozważono defekty pojedyncze i wielokrotne. Szczególną uwagę zwrócono na pojawianie się wyników odpowiadających wersji szyfru zredukowanej do jednej rundy. (Normalnie szyfr wykorzystuje 11 rund). Jednorundowe wersje szyfrów blokowych są bardzo łatwe do złamania. Badania wykazały, że prawdopodobieństwo wystąpienia wyniku odpowiadającego jednorundowej wersji szyfru jest wystarczająco duże, aby można było zastosować tę technikę ataku w praktyce. Stwierdzono także, że pewne obszary pamięci programu są bardziej wrażliwe na defekty niż inne. Koncentrując się na obszarach wrażliwych można znacząco zwiększyć prawdopodobieństwo sukcesu.