Efficient and non-profiled side-channel attacks against post-quantum cryptography
Kuantum-sonrası kriptografiye karşı verimli ve profil gerektirmeyen yan kanal saldırıları
- Tez No: 972463
- Danışmanlar: PROF. DR. ERKAY SAVAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, Kuantum Sonrası Kriptografi'yi (PQC) hedef alan yan kanal saldırılarını incelemektedir. Çalışmanın odağında, bu araştırma süresince NIST tarafından standardize edilen kafes tabanlı PQC algoritmaları yer almaktadır: Dilithium dijital imzalama şeması (ML-DSA) ve Kyber anahtar kapsülleme mekanizması (ML-KEM). Bu algoritmaların hem korumasız hem de yan-kanal saldırılarına karşı korumalı gerçeklemeleri ele alınmıştır. Çalışma, özellikle hedef cihazın bir kopyasına erişim olmadan gerçekleştirilebilen, profil gerektirmeyen saldırı sınıfına odaklanmaktadır. Mevcut profil gerektirmeyen saldırı yöntemleri yeniden ele alınmış ve bunlar özellikle ihtiyaç duyulan elektriksel güç izi sayısı ve saldırı çalışma süresi açısından iyileştirilmiştir. Çalışmalarımızda her iki parametre iyileştirilmeye çalışılsa da, güç izi karmaşıklığına daha fazla öncelik verilmiştir. Saldırı çalışma süresi açısından ise, Kyber ve Dilithium'un belirli gerçeklemelerine uygulanabilen bir saldırı yöntemi sunulmuş ve bu sayede çalışma süresinde bin kata kadar hız artışı sağlanmıştır. Tez, yüksek dereceden, profil gerektirmeyen saldırıların kafes tabanlı kriptografi (LBC) üzerindeki uygulanabilirliğini de incelemektedir. Bu tür saldırılar, korumalı LBC gerçeklemelerinde kullanılan aritmetik maskeleme şemaları olarak bilinen koruma önlemleri nedeniyle özgün zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorluklar detaylı olarak analiz edilmiş ve özgün çözümler önerilmiştir. Yüksek dereceden profil gerektirmeyen saldırıların gerçekleştirilmesi, ``eniyilenmiş tahmin fonksiyonu'' olarak bilinen fonksiyonun hesaplanmasını gerektirir. Bu çalışma, aritmetik maskeleme ve LBC bağlamında bu fonksiyonların elde edilmesine yönelik verimli yöntemler sunmakta; özellikle, modüler indirgeme işleminin sıfır etrafında merkezlenmiş işaretli biçimde yapıldığı özel durumlar için açık formüller sağlamaktadır. Yine önemli bir katkı olarak tezde, işaretli aritmetik kullanımının, ara değişkenlerin işareti ile gözlemlenen sızıntı arasında güçlü bir bağımlılık oluşturarak ciddi bir güvenlik açığına neden olduğu gösterilmektedir. Hem simülasyon ortamında hem de gerçek cihazlarda gerçekleştirilen deneysel sonuçlar, korumasız gerçeklemelerden üçüncü dereceden maskeleme kullanan gerçeklemelere kadar geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Bu sonuçlar, literatürde bir ilk olup, yüksek dereceden maskeleme içeren LBC uygulamalarına karşı gerçekleştirilen profil gerektirmeyen saldırıların ilk başarılı gösterimini sunmaktadır. Bulgular, profil gerektirmeyen yan kanal saldırılarının maskeleme kullanan gerçeklemeler için ciddi bir tehdit oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Örneğin, üçüncü dereceden maskeleme kullanılan Dilithium ve Kyber gerçeklemelerine karşı yan-kanal saldırılarının, sırasıyla, yalnızca 2400 ve 14500 güç izi kullanılarak, başarıyla uygulanabildiği gösterilmiştir. Ayrıca tez, saldırganın cihazın sızıntı fonksiyonunu bilmediği senaryoyu da ele almaktadır. Bu bağlamda, genel yan-kanal analizi (SCA) ayrıştırıcıları ile kafes indirgeme tekniklerini birleştiren özgün, iki aşamalı bir saldırı yöntemi önerilmiştir. Deneysel sonuçlar, bu yaklaşımın maskeleme koruması içeren ve sızıntı fonksiyonu bilinmeyen durumlarda dahi başarılı, profil gerektirmeyen saldırılar yapılmasını mümkün kıldığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This dissertation explores side-channel attacks targeting Post-Quantum Cryptography (PQC). The focus is on lattice-based PQC algorithms standardized by NIST during the course of this research: the Dilithium digital signature scheme (ML-DSA) and the Kyber key encapsulation mechanism (ML-KEM). Both unprotected and protected implementations of these algorithms are considered. The study particularly focuses on the non-profiled class of attacks, which does not rely on access to a clone of the target device. Existing non-profiled attack methodologies are revisited and improved, particularly in terms of the required number of traces and also the attack run-time. While both aspects are addressed, the trace complexity is given greater emphasis. Regarding the attack run-time efficiency, an attack methodology applicable to Kyber and specific implementations of Dilithium is introduced, achieving speedups of up to three orders of magnitude. The thesis explores the application of higher-order non-profiled attacks to Lattice-Based Cryptography~(LBC). These attacks face unique challenges due to the so-called arithmetic masking schemes employed in protected LBC implementations. These challenges are analyzed in depth, and novel solutions are proposed. Performing higher-order non-profiled attacks require to compute so-called the optimal prediction function. This work presents efficient methods for deriving these functions in the context of arithmetic masking and LBC, including explicit formulas in specific cases—namely, when modular reduction is performed in a signed fashion centered around zero. Importantly, the thesis demonstrates that using signed arithmetic introduces a significant vulnerability by creating a strong dependency between the signs of intermediate variables and the observed leakage. Experimental results are presented for both simulated and real-device settings, covering implementations from unprotected up to third-order masked. These results are unique in the literature, representing the first demonstration of non-profiled attacks against higher-order masked implementations of LBC. The findings reveal that non-profiled side-channel attacks pose a serious threat to masked implementations. For example, third-order masked implementations of Dilithium and Kyber are successfully attacked with only 2400 and 14500 traces, respectively. Furthermore, the thesis addresses the scenario in which the attacker does not know the leakage function of the device. A novel two-step attack combining generic SCA distinguishers with lattice reduction techniques is proposed. Experimental results show that this approach enables successful non-profiled attacks even when the victim implementation employs masking protection and the device's leakage characteristics are unknown.
Benzer Tezler
- İki-elemanlı bir profil sisteminde yüksek basınç gradyantlı flap üstü akım alanının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
SERHAT AYDOĞAN
- Thermal interface resistance between liquid water and face centered cubic transitional metals: Non-equilibrium molecular dynamics simulation
Su ve yüzey merkezli kübik geçiş metalleri arasındaki termal arayüzey direnci: Dengesiz moleküler dinamik simülasyonu
MUHAMMED MURAT AKSOY
Doktora
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiWıllıam Marsh Rıce UnıversıtyMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIZ BAYAZITOGLU
- Non-orthogonal multiple access techniques for satellite networks
Uydu ağları için dik olmayan çoklu erişim teknikleri
MEHMET CAN
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Finansal ürünlerin vergilendirme ve yasal düzenlemeler açısından değerlendirilmesi
Başlık çevirisi yok
ATİLLA UYANIK
- Hydrodynamics and hydraulic performances of fish-friendly fine screens at water intakes of hydropower plants
Hidroelektrik santrallerin su alma yapılarında kullanılan balık dostu ince ızgaraların hidrodinamiği ve hidrolik performansı
CUMHUR ÖZBEY
Doktora
İngilizce
2025
İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT KÜÇÜKALİ
