УСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕГКОВЕСНЫХ АЛГОРИТМОВ К АТАКАМ ПО ПОБОЧНЫМ КАНАЛАМ

Стремительное развитие Интернета вещей (IoT) и встраиваемых систем приводит к необходимости применения криптографических решений, адаптированных для устройств с ограниченными ресурсами. Легковесная криптография обеспечивает баланс между безопасностью, производительностью и низким энергопотреблением, что делает ее востребованной в сенсорах, RFID-метках, медицинских устройствах и других IoT-компонентах. Однако на практике данные алгоритмы подвержены атакам по побочным кана­лам, использующим утечки энергии, электромагнитного излучения или временных характеристик для восстановления секретных ключей. Наибольшую угрозу представляют методы дифференциального и корреляционного анализа мощности, которые позволяют компрометировать реализацию за относительно небольшое количество измерений. В статье представлен обзор атак по побочным каналам на легковесные алгоритмы, таких как PRESENT, SIMON, SPECK и PRINCE. Рассмотрены основные методы защиты, включая маскирование, сокрытие, перестановку вычислений, threshold-реализации и аппаратные меры про­тиводействия. Проведен сравнительный анализ их эффективности и накладных расходов, выявлены силь­ные и слабые стороны каждого подхода. Особое внимание уделено проблеме практической применимости защитных решений в условиях ограниченных ресурсов IoT-устройств. Результаты исследования показывают, что ни один метод защиты не является универсальным и наибольшую эффективность демонстрируют комбинированные подходы, сочетающие маскирование и методы сокрытия. Работа подчеркивает необхо­димость дальнейших исследований, направленных на формирование подходов к оценке стойкости и совер­шенствованию защитных механизмов для легковесной криптографии.

1. Randolph, M., and Diehl, W. Power Side-Channel Attack Analysis: A Review of 20 Years of Study for the Layman. Cryptography, 4 (2), 15 (2020). https://doi.org/10.3390/cryptography4020015

2. Socha, P., Miškovský, V., and Novotný, M. A Comprehensive Survey on the Non-Invasive Passive Side-Channel Analysis. Sensors, 22 (21), 8096 (2022). https://doi.org/10.3390/s22218096

3. Sayakkara, A., Le-Khac, N.-A., and Scanlon, M. A Survey of Electromagnetic Side-Channel Attacks and Discussion on Their Case-Progressing Potential for Digital Forensics. Digital Investigation, 29, 43–54 (2019). https://doi.org/10.1016/j.diin.2019.03.002

4. Bogdanov, A., Knudsen, L.R., Leander, G., Paar, C., Poschmann, A., Robshaw, M.J.B., Seurin, Y., and Vikkelsoe, C. PRESENT: An Ultra-Lightweight Block Cipher. Cryptographic Hardware and Embedded Systems – CHES 2007 (Berlin: Springer, 2007), Vol. 4727, pp. 450–466. https://doi.org/10.1007/978-3-540-74735-2_31

5. Damodharan, J., Susai Michael, E.R., and Shaikh-Husin, N. High Throughput PRESENT Cipher Hardware Architecture for the Medical IoT Applications. Cryptography, 7 (1), 6 (2023). https://doi.org/10.3390/cryptography7010006

6. Beaulieu, R., Treatman-Clark, S., Shors, D., Weeks, B., Smith, J., and Wingers, L. The SIMON and SPECK Lightweight Block Ciphers. Proceedings of the 52nd Annual Design Automation Conference (DAC 2015) (2015), Article No. 175. https://doi.org/10.1145/2744769.2747946

7. Lu, J., Liu, G., Sun, B., Li, C., and Liu, L. Improved (Related-Key) Differential-Based Neural Distinguishers for SIMON and SIMECK Block Ciphers. The Computer Journal, 67 (2023). https://doi.org/10.1093/comjnl/bxac195

8. Rasoolzadeh, S., and Raddum, H. Cryptanalysis of PRINCE with Minimal Data. Applied Cryptography and Network Security (ACNS 2016) (Cham: Springer, 2016), pp. 109–126. https://doi.org/10.1007/978-3- 319-31517-1_6

9. Mohd Esa, N.F., Latip, S., and Baharon, M.A. Survey of ARX-Based Symmetric-Key Primitives. International Journal of Communication Networks and Information Security, 11 (3) (2022). https://doi.org/10.17762/ijcnis.v11i3.4258

10. Gundaram, P.K. Cryptanalysis of Selected ARX-Based Block Ciphers. Vietnam Journal of Computer Science, 11 (4), 553–568 (2024). https://doi.org/10.1142/S2196888824500143

11. Gunathilake, N., Lo, O., Buchanan, W., and Al-Dubai, A. Electromagnetic Side-Channel Analysis of PRESENT Lightweight Cipher. arXiv preprint (2025). https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.12248

12. Gamaarachchi, H., Ganegoda, H., and Ragel, R. Breaking SPECK Cryptosystem Using Correlation Power Analysis Attack. Journal of the National Science Foundation of Sri Lanka, 45 (4), 393–402 (2017). https://doi.org/10.4038/jnsfsr.v45i4.8233

13. Yoshikawa, M., and Nozaki, Y. Power Analysis Attack and Its Countermeasure for a Lightweight Block Cipher Simon. Information Security and Cryptology (ICISC 2016) (Cham: Springer, 2016), pp. 151– 160. https://doi.org/10.1007/978-3-319-32467-8_15

14. Zhang, Y., Wu, N., Zhou, F., Zhang, J., and Yahya, M.R. A Countermeasure against DPA on SIMON with an Area-Efficient Structure. Electronics, 8 (2), 240 (2019). https://doi.org/10.3390/electronics8020240

15. Shanmugam, D., Selvam, R., and Annadurai, S. Differential Power Analysis Attack on SIMON and LED Block Ciphers. Information and Communications Security (Cham: Springer, 2014), pp. 110–125. https://doi.org/10.1007/978-3-319-12060-7_8

16. Xue, J., Jiang, X., Li, P., Xi, W., Xu, C., and Huang, K. Side-Channel Attack of Lightweight Cryptography Based on MixColumn: Case Study of PRINCE. Electronics, 12 (3), 544 (2023). https://doi.org/10.3390/electronics12030544

17. Yli-Mäyry, V., Ueno, R., Miura, N., Nagata, M., Bhasin, S., Mathieu, Y., Graba, T., Danger, J.-L., and Homma, N. Diffusional Side-Channel Leakage From Unrolled Lightweight Block Ciphers: A Case Study of Power Analysis on PRINCE. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 16, 1351–1364 (2021). https://doi.org/10.1109/TIFS.2020.3033441

18. Mangard, S., Oswald, E., and Popp, T. Power Analysis Attacks: Revealing the Secrets of Smart Cards (Berlin: Springer, 2007), 240 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-38162-6

19. Rivain, M., and Prouff, E. Provably Secure Higher-Order Masking of AES. Cryptographic Hardware and Embedded Systems – CHES 2010 (Berlin: Springer, 2010), pp. 413–427. https://doi.org/10.1007/978-3- 642-15031-9_28

20. Tiri, K., and Verbauwhede, I. Design Method for Constant Power Consumption of Differential Logic Circuits. arXiv preprint (2007). https://doi.org/10.48550/arXiv.0710.4756

21. Kim, H. Power-Balancing Software Implementation to Mitigate Side-Channel Power Analysis Attacks. Applied Sciences, 10 (7), 2454 (2020). https://doi.org/10.3390/app10072454

22. Coron, J.-S., and Kizhvatov, I. Analysis and Improvement of the Random Delay Countermeasure of CHES 2009. Cryptographic Hardware and Embedded Systems – CHES 2010 (Berlin: Springer, 2010), pp. 95–109. https://doi.org/10.1007/978-3-642-15031-9_7

23. Ambrose, J., Ragel, R., Jayasinghe, D., Li, T., and Parameswaran, S. Side Channel Attacks in Embedded Systems: A Tale of Hostilities and Deterrence. Proceedings of the 16th International Symposium on Quality Electronic Design (2015), pp. 452–459. https://doi.org/10.1109/ISQED.2015.7085468

24. Nikova, S., Rechberger, C., and Rijmen, V. Threshold Implementations Against Side-Channel Attacks and Glitches. Information and Communications Security (ICICS 2006) (Berlin: Springer, 2006), pp. 529–545. https://doi.org/10.1007/11935308_38

25. Gross, H., Mangard, S., and Korak, T. Domain-Oriented Masking: Compact Masked Hardware Implementations with Arbitrary Protection Order. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, 2017, 163–189 (2017). https://doi.org/10.1145/2996366.2996426

26. Sangodoyin, S., Dufour, M., D’Errico, R., Sauleau, R., Wiart, J., and Fleury, M. Side-Channel Propagation Measurements and Modeling for Hardware Security in IoT Devices. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 69 (6), 3470–3484 (2021). https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3037659

27. Seok, B., and Lee, C. Fast Implementations of ARX-Based Lightweight Block Ciphers (SPARX, CHAM) on 32-Bit Processor. International Journal of Distributed Sensor Networks, 15 (9) (2019). https://doi.org/10.1177/1550147719874180

28. Yan, Y., Oswald, E., and Vivek, S. An Analytic Attack against ARX Addition Exploiting Standard Side-Channel Leakage. Proceedings of the 7th International Conference on Information Systems Security and Privacy (ICISSP 2021) (2021), pp. 89–97. https://doi.org/10.5220/0010223600890097

29. Jungk, B., Petri, R., and Stöttinger, M. Efficient Side-Channel Protections of ARX Ciphers. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, 2018 (3), 627–653 (2018). https://doi.org/10.13154/tches.v2018.i3.627-653