Simple Power Analysis on Post-Quantum Code Based Cryptosystems

Resumo Técnico: Análise de Potência Simples em Criptossistemas Baseados em Códigos Pós-Quânticos

Enunciação do Problema
A criptografia pós-quântica (PQC) está sendo cada vez mais adotada para substituir os esquemas criptográficos atuais devido à sua resiliência contra ataques de computadores quânticos. Entre estes, os criptossistemas baseados em códigos, como McEliece e o Encapsulamento de Chave de Inversão de Bit (BIKE), são candidatos proeminentes. Embora esses algoritmos sejam projetados para resistir a ataques estruturais (como a Decodificação de Conjunto de Informação) por meio do dimensionamento adequado das chaves, suas implementações físicas podem permanecer vulneráveis. Este artigo aborda o risco de que vazamentos de informações não intencionais durante a execução desses algoritmos — especificamente durante a fase de decapsulação, onde uma chave secreta compartilhada é gerada — possam ser explorados por meio de Ataques de Canal Lateral (SCA). O estudo foca na Análise de Potência Simples (SPA), uma classe de SCA que explora características observáveis, como consumo de energia e emissões eletromagnéticas, para inferir estados internos sensíveis, potencialmente reduzindo a complexidade da criptanálise algébrica.

Metodologia
A pesquisa emprega uma configuração experimental de baixo custo para avaliar se as implementações de software de McEliece e BIKE (da biblioteca Open Quantum Safe, nível de segurança 3 do NIST) vazam informações por meio do consumo de energia. O aparato experimental consiste em:

1. Dispositivo Sob Teste (DUT): Um Raspberry Pi 3 executando as operações criptográficas.
2. Mecanismo de Sensoriamento: Um resistor shunt para observar quedas de tensão durante as operações, amplificado por um amplificador operacional (op-amp).
3. Aquisição de Dados: Um microcontrolador Raspberry Pi Pico usado para traduzir e armazenar as variações de tensão amplificadas.
4. Software: Um wrapper Python para a biblioteca OQS para gerenciar os processos criptográficos.

A metodologia envolve a captura de traços de energia durante a fase de decapsulação. O estudo utiliza uma abordagem estatística baseada na hipótese nula de que "implementações de software de criptografia pós-quântica baseada em códigos não vazam informações". Para testar isso, os autores calculam o coeficiente de correlação de Pearson ($\rho$) entre as quedas de tensão medidas (representando o consumo de energia) e o peso de Hamming do último byte da chave secreta compartilhada intencionalmente armazenada. Um limiar de correlação de $\rho > 0.1$ é usado como referência para vazamento significativo, com base na literatura existente. Além disso, o estudo emprega classificadores de Aprendizado de Máquina (ML) (SVM, kNN, Regressão Logística, Random Forest) para prever bits secretos da chave de sessão compartilhada usando apenas 200 traços de energia coletados.

Principais Resultados
A avaliação experimental produziu as seguintes descobertas:

• Análise de Correlação: A hipótese nula foi rejeitada. Ambas as implementações de McEliece e BIKE demonstraram coeficientes de correlação superiores ao limiar de 0,1. Especificamente, picos de tensão durante a fase de decapsulação do McEliece alinharam-se com altas variações em $\rho$, e os traços do BIKE mostraram correlações superiores ao limiar, indicando uma relação mensurável entre o consumo de energia e a chave efêmera.
• Previsão por Aprendizado de Máquina: Usando apenas 200 traços, os modelos de ML previram com sucesso bits secretos com taxas de precisão variando de 0,60 a 0,63.
  • Para o McEliece, a pontuação F1 para prever o bit '1' consistentemente superou 0,65 em todos os modelos (por exemplo, SVM-RBF alcançou 0,65, kNN alcançou 0,67).
  • Para o BIKE, tendências semelhantes foram observadas, com o Random Forest alcançando uma pontuação F1 de 0,65 para o bit '1'.
  • Os resultados indicam que o bit '1' é mais facilmente previsto do que o bit '0', provavelmente devido a picos de tensão mais altos associados ao estado lógico '1'.
• Características de Vazamento: O sistema McEliece foi encontrado vazando informações escaláveis, com pontuações F1 consistentemente acima de 0,65.

Significado e Alegações
O artigo alega que, mesmo com equipamentos de baixo custo e acessíveis, vazamentos significativos de informações podem ser detectados em criptossistemas pós-quânticos baseados em códigos. O estudo demonstra que a correlação entre emissões eletromagnéticas e valores secretos é forte o suficiente para permitir a previsão de bits da chave de sessão compartilhada usando um conjunto de dados mínimo (200 traços). Os autores afirmam que essas descobertas destacam a necessidade de avaliar e mitigar vazamentos de canal lateral, particularmente para plataformas embutidas e com recursos limitados, onde contramedidas podem ser limitadas.

Trabalho Futuro e Limitações
Os autores observam que a configuração atual, embora realista, envolve compensações, como baixa resolução de amostragem e ruído. Eles sugerem que trabalhos futuros devem focar na avaliação de contramedidas de mascaramento usando configurações SPA de baixo custo semelhantes, já que realizar tais ataques seria desafiador, mas necessário para validação. Adicionalmente, o artigo identifica o KEM Hamming Quasi-Cíclico (HQC) como um assunto promissor para estudo futuro, notando sua exclusão do experimento atual porque não fazia parte da biblioteca OQS no momento da pesquisa.