Moderne Kryptographie beschäftigt sich mit der Entwicklung kryptographischer Primitiven zur sicheren Kommunikation in Anwesenheit eines Angreifers. Die Sicherheit dieser Primitiven wird in der Regel im Black-Box-Modell bewiesen, welches den Angreifer darauf beschränkt, nur die Eingaben zu manipulieren und die Ausgaben zu beobachten. Paul Kocher zeigte jedoch auf der CRYPTO’96, dass konkrete Implementierungen solcher Primitiven nicht nur über ihr Ein- und Ausgabe-Verhalten, sondern auch über sogenannte Seitenkanäle angegriffen werden können. Diese ermöglichen es dem Angreifer, Informationen über interne Berechnungen zu erhalten (z.B. Laufzeit oder Stromverbrauch). Auf der EUROCRYPT’97 haben Boneh et al. die Forschung zu Implementierungsangriffen weiter vorangetrieben, indem sie innere Berechnungen durch gezielte Manipulationen angriffen (z.B. Laserstrahlen oder elektromagnetischen Impulsen). Beide Angriffstypen verdeutlichen die Schwachstellen von Implementierungen, die im Black-Box-Modell beweisbar sicher sind. Ishai et al. formalisierten diese Angriffe und präsentierten beweisbar sichere Gegenmaßnahmen für Seitenkanal- und Fehlerangriffe auf der CRYPTO’03 und EUROCRYPT’06.

Im Zuge dieser neuen Forschungsrichtung befasst sich diese Arbeit mit der Fehler- und Seitenkanalresistenz kryptographischer Implementierungen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Methoden zum Schutz beliebiger Berechnungen gegen Seitenkanalangriffe vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf maskierte Schaltkreise im Random-Probing-Modell. Wir schlagen zwei Ansätze zum Nachweis der Sicherheit vor: Die sogenannte Probe Distribution Table (PDT) und den Dependency Graph (DG). Während die PDT die Sicherheit aktueller Konstruktionen deutlich verbessert, ermöglicht der DG eine asymptotische Sicherheitsanalyse, die besonders effizient für affine Schaltkreise ist. Im zweiten Teil werden zwei fehlerresistente kryptographische Primitive eingeführt, um Fehler in Geheimnissen wie Schlüsseln und Passwörtern zu verhindern. Die erste Primitive, Fuzzy Asymmetric Password-Authenticated Key Exchange (faPAKE), adressiert Tippfehler in Passwörtern und ermöglicht es zwei Parteien, einen gemeinsamen Schlüssel auf Grundlage eines gemeinsamen Passworts zu erzeugen. Die zweite Primitive ist ein deterministisches, authentifiziertes Verschlüsselungsverfahren, das nachweislich sicher gegen Fehlerangriffe ist und eine sichere Kommunikation trotz Fehlern im Schlüssel ermöglicht. Abschließend werden zwei sichere Compiler vorgestellt, die Fehler- und Seitenkanalresistenz kombinieren, sodass ein Angreifer die interne Berechnung gleichzeitig messen und manipulieren kann. Da die alleinige Fehler- und Seitenkanalsicherheit nicht ausreicht, um kombinierte Sicherheit zu gewährleisten, führen wir eine neue Sicherheitseigenschaft ein (engl. Fault-invariance), die Sicherheit gegen kombinierte Angriffe impliziert.