侧信道分析测评套件新功能—Kyber明文检查预言机

匡柄宇
匡柄宇

数缘信安社区

2026年7月11日 07:00
北京

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NEWS

探索后量子算法的侧信道安全性

01

功能背景

ML-KEM（原称Kyber）是NIST于2024年正式标准化的后量子密钥封装机制（Key Encapsulation Mechanism, KEM），主要用于在不安全信道上协商共享密钥，因其基于模格上容错学习（Module-LWE）问题的安全性保障，被广泛视为抵御量子计算威胁的核心密码方案之一。ML-KEM在数学结构上能够抵御已知量子计算攻击，被广泛应用于需要长期抗量子安全性的通信系统、安全芯片与密码模块中。

随着后量子密码算法逐步落地，如何在真实硬件实现中评估其侧信道安全性，是近几年密码测评领域的关键课题。

02

安全风险

虽然ML-KEM在数学结构上难以通过传统密码分析方法直接攻破，但在实际硬件环境中，解密过程仍可能可能泄露出功耗、电磁辐射等侧信道信息。

实际硬件环境下的侧信道泄漏信噪比

FO（Fujisaki-Okamoto）变换是一种后量子算法通用的实现IND-CCA（抵抗选择密文攻击）安全的方法，其大致流程如下：

1. 用私钥解密密文c，得到明文m'；
2. 对解密后的明文m'重新进行加密（即重加密），得到密文c'；
3. 如果原密文c等于重加密后的密文c'，则认为密文有效，否则说明密文是伪造的或者有经过篡改。

虽然ML-KEM引入FO变换的初衷是好的，但他也是导致后量子算法侧信道泄漏的罪魁祸首。我们考虑以下两种情况：

情况一：当密文c没有被篡改时，即解密得到的明文m'等于参考明文m时

由于参考明文c是攻击者自己生成的固定值，所以解密得到的明文m'的值也是固定的，进一步地，由m'进行重加密得到的波形也是稳定的，可复现的（忽略噪声）。

情况二：当密文c被篡改时

由于密文c被篡改，解密后的明文m'的值将是随机的，此时对m'进行重加密，得到的波形将与情况一的波形完全不一样。

这两类波形的差异足够显著，攻击者只需采集大量已知篡改状态的密文波形作为训练集，即可训练出一个二分类模型。此后，该模型仅凭一次解密时采集到的重加密波形，就能判断出当前密文是否被篡改。

在研发人员的预期中，FO变换本是一道防篡改的“安全锁”，但在实际的硬件环境下，这把锁反倒成了侧信道攻击的“指路牌”。

03

分析方法

侧信道分析测评套件新增的“Kyber明文检查预言机”功能，覆盖从波形采集到密钥恢复的全链路：

1. 训练阶段

• 向目标设备发送大量精心构造的密文；
• 采集功耗轨迹，标记消息比特标签；
• 基于LDA线性判别分析降维，建立消息值为0/1的统计模板。

2. 攻击阶段

• 构造明文检查预言机所需的特殊密文；
• 采集测试波形并应用已训练模板进行分类；
• 多次采波投票，恢复消息比特；
• 通过Kyber解密代数关系，推导出密钥s的每个系数。

04

软件界面

采波界面

模板建立界面

模板匹配界面

恢复结果

关

于

数

缘

数缘科技于2017年研发的侧信道分析测评套件，已为30余家密码厂商提供密码芯片与产品物理安全性测试评估、密码芯片IP核设计、密码产品解决方案咨询等服务，其中服务的3家厂商的产品已获得国密三级认证证书。2021年，数缘科技承担某国家级检测中心“板卡类密码产品检测平台非入侵式攻击检测功能模块”项目，打造面向智能密码钥匙、PCIe密码卡的非入侵式攻击检测平台，通过排除密码芯片物理安全隐患，加固密码产品实现方案，推动我国密码芯片与产品物理安全性水平的整体提升。2024年，数缘科技进一步承担该中心“高等级密码模块安全分析检测平台”中“非入侵式安全检测模块”建设，帮助中心构建了各种常见检测方法的标准化测试流程，并基于人工智能算法提供了更便捷的安全测评方法，进一步丰富了我国密码芯片物理安全测试方法，提高了我国密码芯片安全分析水平。