Side Channel Security Oriented Evaluation and Protection on Hardware Implementations of Kyber

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作者
Yiqiang Zhao,Shijian Pan,Haocheng Ma,Ya Gao,Xintong Song,Jiaji He,Yier Jin
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (12): 5025-5035 被引量:5
标识
DOI:10.1109/tcsi.2023.3288600
摘要

The emergence of quantum computing and its impact on current cryptographic algorithms has triggered the migration to post-quantum cryptography (PQC). Among the PQC candidates, CRYSTALS-Kyber is a key encapsulation mechanism (KEM) that stands out from the National Institute of Standards and Technology (NIST) standardization project. While software implementations of Kyber have been developed and evaluated recently, Kyber's hardware implementations especially those designed with parallel architecture, are rarely discussed. To help better understand Kyber hardware designs and their security against side-channel analysis (SCA) attacks, in this paper, we first adapt the two most recent Kyber hardware designs for FPGA implementations. We then perform SCA attacks against these hardware designs with different architectures, i.e., parallelization and pipelining. Our experimental results show that Kyber designs on FPGA boards are vulnerable to SCA attacks including electromagnetic (EM) and power side channels. An attacker only needs $27 \sim 1,600$ power traces or $60 \sim 2,680$ EM traces to recover the decryption key successfully. Furthermore, we propose two first-order IND-CPA Kyber decapsulation masking protected designs, and then we evaluate their securities and overheads. The experimental results demonstrate that the side channel security of masked Kyber designs has increased by more than 10x.
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