Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Erforschung von so genannten mutierenden Datenpfaden und ihrem Einsatz als Gegenmaßnahme gegen Leistungsanalyseangriffe auf die Implementierungen von kryptographischen Algorithmen. Mutierende Datenpfade sind konzeptionell Datenpfade einer Schaltung, welche während der Laufzeit ihre Architektur ändern können ohne die Korrektheit des implementierten Algorithmus zu kompromittieren. Das Konzept der mutierenden Datenpfade wird theoretisch in dieser Arbeit erforscht und anhand von Anwendungsbeispielen in der Praxis erprobt. Zur praktischen Umsetzung werden als Basisplattform FPGAs verwendet, weil die plattformspezifischen Eigenschaften das Kernkonzept der mutierenden Datenpfade geeignet unterstützen.

Leistungsanalyseangriffe gehören zur Klasse der passiven, nicht invasiven Implementierungsangriffe. Diese Art von Angriff nutzt die Leistungsaufnahme einer Implementierung zur Laufzeit aus, um geheime Parameter der kryptographischen Implementierung über ihr physikalisches Verhalten zu extrahieren. Bei diesen Angriffen wird das Gerät mit der Implementierung des kryptographischen Algorithmus im Normalbetrieb betrieben, so dass keine Spuren eines Angriffs nach Beendigung der Analyse erkennbar sind. Essentiell für diesen Angriff ist, dass der Widersacher weiss, welcher kryptographische Algorithmus im Gerät implementiert ist und dass er neben der Leistungsaufnahme auch Zugriff auf die Eingabe- und Ausgabewerte hat. Ebenso ist essenziell, dass sich das Gerät mit der Implementierung deterministisch verhält, so dass bei jeder Prozedur im Normalbetrieb die Schaltung die gleichen Operationen mit unterschiedlichen Eingabewerten ausführt. Genau dort setzt das Konzept der mutierenden Datenpfade an, um den Aufwand für einen solchen Implementierungsangriff unattraktiv für den Widersacher zu machen, da der zu betreibende Aufwand zum Extrahieren des parameterspezifischen Geheimnis der Schaltung zu groß oder gar unmöglich ist.

Im Gegensatz zu bisherigen Verschleierungs- oder Maskierungsmaßnahmen setzt das Konzept der mutierenden Datenpfade auf eine Verwürfelung der Schaltungsarchitektur des Datenpfades, um so die physikalischen Eigenschaften der Schaltung im Bezug auf die Leistungsaufnahme und die Ausführungszeit zu randomisieren. Es werden nicht wie beim Maskierungsverfahren die zu verarbeitenden Daten für die interne Bearbeitung randomisiert, sondern das physikalisch deterministische Verhalten der Schaltung manipuliert. Im Gegensatz zu manchen anderen Verschleierungsverfahren, welche auch das physikalische Verhalten der Schaltung verändern, wie bei Dual-Rail-Logic, ist die Änderung des physikalischen Verhaltens bei den mutierenden Datenpfaden nicht statisch sondern ändert sich kontinuierlich.

Konservativ betrachtet, werden verschiedene Verschleierungskonzepte, wie zum Beispiel Verwürfelung und Rauschgenerierung, genutzt um so einen mutierenden Datenpfad zu erstellen. Durch die geschickte Integration der verschiedenen Verfahren im Datenpfad können die verschiedenen Verschleierungs-methoden effizient als Gegenmaßnahme in eine Implementierung eines kryptographischen Algorithmus eingebettet werden. Zu diesem Zweck wird ein Entwurfsvorgang zur Erstellung von mutierenden Datenpfaden vorgeschlagen und diskutiert.