面向模块化格基密钥封装机制算法多项式乘法的侧信道安全防护关键技术研究

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：赵毅强, 孔金笛, 付玉成, 张启智, 叶茂, 夏显召, 宋昕彤, 何家骥

单位：1.天津大学微电子学院 天津 3000722.天津市成像与感知微电子技术重点实验室 天津 3000723.中汽研科技有限公司 深圳 518118

摘要：后量子密码算法CRYSTALS-Kyber已被美国国家标准与技术研究院(NIST)标准化为唯一的模块化格基密钥封装机制方案 (ML-KEM)，以抵御大规模量子计算机的攻击。虽然后量子密码通过数学理论保证了算法的安全性，但在密码实现运算过程中仍面临侧信道威胁。该文针对当前后量子密码算法硬件实现中存在的侧信道泄露风险，提出一种随机伪轮隐藏防护技术，通过动态插入冗余模运算与线性反馈移位寄存器(LFSR)随机调度机制，破坏多项式逐点乘法(PWM)关键操作的时序特征，从而混淆侧信道信息相关性。为了验证其有效性，在Xilinx Spartan-6 FPGA平台对安全增强前后的Kyber解密模块进行实现，并开展基于选择密文的相关功耗分析(CPA)。实验结果表明，防护前攻击者仅需897～1 650条功耗迹线即可恢复Kyber长期密钥；防护后在10 000条迹线下仍无法成功破解，破解密钥所需迹线数量显著提高。同时，相较现有的Kyber防护实现方案，该文的安全增强设计在面积开销上优于其他的隐藏方案。

关键词：后量子密码算法, 侧信道攻击, 相关功耗分析, 多项式乘法, Kyber

基金资助：国家重点研发计划(2023YFB4402800)，天津市科技计划(24YDTPJC00020)