SITM Attacks on Skinny-128-384 and Romulus-N

See-In-The-Middle (SITM) is an analysis technique that uses Side-Channel information for differential cryptanalysis. This attack collects unmasked middle-round power traces when implementing block ciphers to select plaintext pairs that satisfy the attacker's differential pattern and utilize them for differential cryptanalysis to recover the key. Romulus, one of the final candidates for the NIST Lightweight Cryptography standardization competition, is based on Tweakable block cipher Skinny-128-384+. In this paper, the SITM attack is applied to Skinny-128-384 implemented with 14-round partial masking. This attack not only increased depth by one round, but also significantly reduced the time/data complexity to 2^14.93/2^14.93. Depth refers to the round position of the block cipher that collects the power trace, and it is possible to measure the appropriate number of masking rounds required when applying the masking technique to counter this attack. Furthermore, we extend the attack to Romulus's Nonce-based AE mode Romulus-N, and Tweakey's structural features show that it can attack with less complexity than Skinny-128-384.

Skinny-128-384와 Romulus-N의 SITM 공격

SITM (See-In-The-Middle)은 부채널 정보를 차분 분석에 활용하는 분석 기법이다. 이 공격은 블록암호 구현시 마스킹 되지 않은 중간 라운드의 전력 파형을 수집하여 공격자의 차분 패턴을 만족하는 평문 쌍을 선별하고 이를 차분 분석에 활용하여 키를 복구한다. NIST 경량 암호 표준화 공모사업의 최종 후보 중 하나인 Romulus는 Tweakable 블록암호 Skinny-128-384+를 기반으로 한다. 본 논문에서는 SITM 공격을 14-라운드 부분 마스킹 구현된 Skinny-128-384에 적용하였다. 이 공격은 기 제안된 결과보다 depth를 한 라운드 증가한 것뿐만 아니라 시간/데이터 복잡도를 2^14.93/2^14.93으로 줄였다. Depth는 전력 파형을 수집하는 블록암호의 라운드 위치를 뜻하며, 이 공격에 대응하기 위해 부분 마스킹 기법 적용 시 필요한 적절한 마스킹 라운드 수를 측정할 수 있다. 더 나아가 공격을 Romulus의 Nonce 기반 AE 모드 Romulus-N으로 확장하였으며, Tweakey의 구조적 특징을 이용하면 Skinny-128-384보다 적은 복잡도로 공격할 수 있음을 보인다.