CN105737994A - 密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，包括如下步骤：A、基础设定：采用基于TCSPC单光子探测技术的光泄漏测量系统对单片机密码芯片进行光泄漏信号采集；B、暗检验：在暗室环境下，密码芯片不上电不工作进行测验；C、待机检验：让密码芯片上电工作，但不执行任何实际运算指令，进行测验；D、工作检验：让芯片上电工作，并循环执行一段MOV指令，金此能够测验；E、记录并保存经步骤B、C、D确认的环境、设备和检测系统，用于密码芯片光泄露的采集。本发明首创了在密码芯片光泄漏分析攻击中使用光泄漏迹中出现的噪声来对测量配置进行检验和优化的方法。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其是一种密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法。
背景技术
实现密码算法并存储密钥的集成电路芯片---密码芯片，在处于运行状态时会泄漏出相关特征信息，例如功耗泄漏、电磁泄漏、光泄漏等，我们将这些可能泄漏密码芯片敏感信息的通道称为旁路(sidechannel)。旁路攻击的基本思想正是通过采集和分析密码芯片的相关旁路信息，破解密码算法的相关秘密参量，进而对密码芯片的安全产生了巨大的威胁。光泄漏分析攻击是一种新型被动旁路攻击方法，2008年首次提出；基于集成电路芯片晶体管状态转换时发生光子泄漏的原理，Hlavác和Ferrigno利用皮秒成像电路分析系统（PICA）探测密码芯片的光泄漏信号，并通过分析这些泄漏信息，进一步识别出了密码芯片内部的秘密参量。与功耗等传统旁路攻击相比，光泄漏分析攻击具有很好的区域选择性，能捕获由全部泄漏组成的信号，因而探测密码芯片时有较好的信噪比。由于文献中Hlavác和Ferrigno使用的皮秒成像设备复杂且价格昂贵，使得光泄漏分析攻击在当时难以成为一个现实的直接威胁。随着近年来单光子探测技术的快速发展，适合可见光、近红外等波段的硅基、铟镓砷、超导等单光子探测处理技术和CCD（charge-coupleddevice，电荷耦合器件）、PMT（photomultipliertube，光电倍增管）、APD（avalanchephotodiode，雪崩光电二极管）等单光子探测器件得到了快速的发展，因此，进一步研究高效和中低成本的密码芯片光泄漏分析攻击方法，对于密码芯片的安全和防护具有十分重要的现实意义
在密码芯片的分析和测量中，噪声处理是一个重要的前提。一般情况下，密码芯片光泄漏迹中的主要噪声包括如下数项。
⑴量子化噪声。量子化噪声是在光信号采集、探测和记录过程中由于光电转换、模数转换造成的。对于单光子探测器来说，其量子化噪声主要三个来源，我们分别称其为：散粒噪声（又称光子噪声）、暗噪声和读噪声。散粒噪声是光子入射到探测器并在其半导体器件内产生光电子过程中产生的，其大小遵循泊松统计分布。暗噪声来自于单光子探测器的暗电流，它是由于器件温度上升探测器内部生成热电子导致的统计变化，暗噪声也服从泊松分布。读噪声是探测器对光电子进行随后的处理并模数转换为量化的电压信号过程产生的。实际的量子化噪声主要由单光子探测器和光子记录技术的分辨率决定，分辨率越高，量子化噪声越小。由于探测器的输出可以看成是一种叠加在光子散粒噪声上的波形，或者是由单个光子产生的随机脉冲序列，由此，分别产生了模拟信号记录和光子计数两种光信号记录技术。模拟信号记录技术是将探测器输出的信号在很短的时间内数字化，然后在大量的信号周期内对这些信号进行积累，因此，在低强度信号下，信噪比远小于1，信号基线的不稳定和电子噪声的干扰会变得很明显，限制信号积累的周期数，影响了测量的灵敏度，更适合用于记录较高强度的信号；同时，探测器的带宽限制了模拟信号记录的信号带宽，也就是说，模拟信号记录技术的仪器响应函数（instrumentresponsefunction，简称IRF）不能短于探测器的单电子响应（singleelectronresponse，简称SER，指探测器探测到单光子时产生的电脉冲）的宽度。对于光子计数技术，探测器输出的每个脉冲表示探测到一个光子，光子计数技术通过脉冲信号的密度而不是幅度来对光信号进行测量，利用鉴别器来探测脉冲信号，鉴别器的输出脉冲根据其在信号周期中的时间，将其计数到大量时间通道的相应位置。典型代表是TCSPC技术，如前文所述，TCSPC的时间分辨率不受探测器的SER宽度的限制，取决于探测器对单脉冲到达时间测量的准确度，因此，对于一个给定的探测器，TCSPC能获得比其他模拟记录技术更高的信号带宽和更短的IRF宽度。TCSPC技术的相关特点前文已分析，这里不再赘述。因此，在采用适合的单光子探测器的前提下，针对密码芯片光泄漏，TCSPC技术具有比模拟信号记录技术更小的量子化噪声，因而具有更好的信噪比。
⑵实验外部环境的干扰。由于密码芯片的光泄漏特性，密码芯片光泄漏采集过程中，要求在暗室环境下，并且周围尽量无震动、无强电和电磁干扰，以减少由此带来的对暗计数不必要的影响。由于理想暗室环境在现实中是不存在的，因此，实验环境中的背景光等干扰是存在的，总会对暗计数产生影响。
⑶电源及时钟。通过对密码芯片光泄漏机理的分析可知，当CMOS门电路改变它的状态，就会发生光泄漏效应，晶体管翻转产生光泄漏属于概率事件，光子生成速率与电源电压及晶体管开关频率成正比。因此，理论上讲，在密码芯片设计要求的范围内，芯片工作电压越高、时钟频率越高，运行时的密码芯片的光泄漏就越强。由此可以推断，如果芯片工作电压和时钟频率不稳定，将会给光泄漏迹带来新的电子噪声。因此，在实验中，非常有必要使用高质量的稳压电源，同时，使用能够产生并保持高度稳定时钟频率的时钟发生器，在此基础上，毕竟密码芯片的光泄漏属于概率事件，在考虑电子噪声时，可以使用暗计数作为对电子噪声的简化刻画。实验中，我们将密码芯片电源电压设为6.5V，时钟频率设为12MHz。
⑷转换噪声。在密码芯片运行过程中，其逻辑门电路会发生频繁的转换并泄漏出光子，作为攻击者，只关心与密码信息相关的光子泄漏，而实际采集的信息除了对攻击者有价值的局部光泄漏以外，还可能包括或多或少的与攻击无关的光泄漏信息。我们将“由指令执行和数据操作引起的但与实际攻击无关的晶体管转换活动所产生的光泄漏”称之为转换噪声。比方说，我们只关心R7寄存器（8位二进制位，1个字节）的最低数值位，与该数值位相关的晶体管发生转换产生的光泄漏是有效有价值的光信号，而该寄存器其余7位对应的晶体管发生转换产生的光泄漏则是转换噪声。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，包括如下步骤：
A、基础设定：采用基于TCSPC单光子探测技术的光泄漏测量系统对单片机密码芯片进行光泄漏信号采集，采集光泄露信号时让光纤通过透镜对准待测区域；
B、暗检验：在暗室环境下，密码芯片不上电不工作，经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到暗计数数据；对所得数据取最值获取暗采集的数据区间L=〔0，x〕；此时，将x与事先设定的环境噪声最大值o进行比较，如果x＞o，则需要对检测环境进行检验和改进，直至x≤o，然后进入下一步；
C、待机检验：经步骤B的检验后确认不存在环境异常因素，此时，让密码芯片上电工作，但不执行任何实际运算指令，处于等待和执行空操作状态，此时经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到待机计数数据；对所得数据取最值获取待机采集的数据区间M=〔0，y〕；此时，将y与事先设定的“环境-设备”噪声最大值（o＋p）进行比较，如果y＞（o＋p），则需要对检测设备进行检验和改进，直至y≤（o＋p），然后进入下一步；
D、工作检验：经步骤C的检验后确认不存在设备故障异常因素，此时，让芯片上电工作，并循环执行一段MOV指令，此时经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到工作数据；对所得数据取最值获取工作采集的数据区间N=〔0，z〕；此时，将z与事先设定的工作数据检验值q进行比较，如果z≤q，则需要对步骤A给定的整套光泄漏信号采集系统进行检验和改进，直至z＞q；
E、记录并保存经步骤B、C、D确认的环境、设备和检测系统，用于密码芯片光泄露的采集。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤A中，所述单片机采用运行AES算法的AT89C52单片机，采集光泄露信号时让光纤通过透镜对准SRAM存储器上R7寄存器的位置。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤A中，将TCSPC模块采集处理周期设为5μs，测试时间均为10分钟；测试代码采用一段mov指令。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中，o取值为10-20。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中，o取值为15。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤C中，p取值为0-5。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤C中，p取值为0。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤D中，q取值为（o＋p）的（1-1.2）倍。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤D中，q取值为（o＋p）的1.2倍。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明首创了在密码芯片光泄漏分析攻击中使用光泄漏迹中出现的噪声来对测量配置进行检验和优化方法。一方面避免了使用噪声较大的测量配置所带来的种种不利（极端情况下甚至无法测量出有效数据），减少了实施成功攻击所需的光泄漏迹的数量，进一步极大地减少了获得成功攻击所需时间开销；另一方面，在追求减少噪声的测量配置过程中，本发明的方法同时在降低噪声所需成本与这种噪声的降低为分析攻击所带来的效果之间取得了优良的平衡。
具体实施方式
以下实施例详细说明了本发明。本发明所使用的各种原料及各项设备均为常规市售产品，均能够通过市场购买直接获得。
实施例1、光泄漏分析攻击典型测量配置
密码芯片光泄漏分析攻击的典型测量配置主要包括如下几个部分。
计算机：包括主控计算机和信号分析处理计算机。主控计算机主要负责与密码芯片进行通信，运行相关控制软件，控制相关测量配置；信号分析处理计算机负责与光子计数处理模块之间的通信，对光泄漏迹数据进行存储和分析等。实际攻击时，根据测量配置的不同要求，例如光子计数处理模块采用TCSPC计数卡还是数字示波器，主控计算机和信号分析处理计算机可以分开，或者使用一个计算机完成所有任务。
密码芯片：待攻击的运行密码算法的芯片。在攻击实验中，该芯片及其外围电路具有与主控计算机连接的接口（例如串行口等）。该接口有两个作用：主控计算机通过该接口向密码芯片发出命令，触发相关密码算法的运行；主控计算机通过该接口向密码芯片发送明文数据，密码芯片通过该接口把密文数据发送至主控计算机。
单光子探测器：实现对密码芯片光泄漏信号的探测和模数转换，并将光电转换后的脉冲信号发送给光子计数处理模块。例如，单光子雪崩光电二极管（SinglePhotonAvalanchePhotodiode，简称SPAD）的光信号采集输入端一般有两种规格：FC光纤接口（FiberConnection）和自由空间；输出端规格一般为BNC接口，输出TTL电平脉冲信号，连接到光子计数处理模块的一个通道。
光子计数处理模块：接收单光子探测器的输出，完成密码芯片泄漏光子的计数并可形成按时间分布（时域上）的光泄漏迹，便于后期实施实际攻击时进行分析处理。光子计数处理模块一般具有两个通道，如果单光子探测器处于连续工作模式，则让光子计数处理模块工作在触发模式，当密码芯片向光子计数处理模块其中一个通道发出触发控制信号时，光子计数处理模块的另一个通道才开始接收来自单光子探测器送来的脉冲信号，这样做的目的主要是便于光泄漏迹在时间上能够按照期望的方式对齐，便于后期的分析处理。光子计数处理模块通过PCI总线（例如TCSPC计数卡以内置方式插在计算机PCI总线扩展槽上）或USB总线（例如数字示波器通过USB接口与计算机连接）与信号分析处理计算机相连。
透镜和光纤：用来对准密码芯片的特定期望位置和采集运行时的密码芯片泄漏的光信号。如果单光子探测器的光信号采集输入端采用FC规格，如前文所述，由于光泄漏分析攻击对密码芯片位置敏感，密码芯片不同位置光泄漏所体现的指令的操作依赖性和数据依赖性是有差异的，因此，需要对准位置，这取决于攻击者所关心的指令和操作数。
微操作台：二维或三维操作台，用来固定透镜、光纤、密码芯片及相关外围电路等，有较高的移动控制精度，可以对透镜、光纤、密码芯片等进行位置调节，帮助实现透镜/光纤对密码芯片的精确定位。
稳压电源、时钟发生器等外围电路：主要为密码芯片、单光子探测器等提供稳压电源，为密码芯片提供外部时钟信号。
实施例2、光泄漏分析攻击典型软件组成
（1）SPC-130Simulation：安装在分析处理计算机上，用于SPC-130单光子计数卡的控制和信号分析处理。
（2）Matlab：用于光泄漏分析攻击的后续数据分析处理。
（3）LabVIEW：用于计算机与数字示波器之间的通信，实行计算机对示波器的控制和相关记录信息的传输存储。
（4）UltraEdit-32文本编辑器：便于以二进制形式对采集的数据文件进行相关处理（例如去掉文件的头部、尾部等）。
（5）串口调试助手：用于实现主控计算机与单片机之间的通信，主控计算机向单片机发送指令（明文），单片机向主控计算机返回执行的结果（密文）。
（6）KeiluVision：用于编写、编译和调试单片机程序。
（7）RF1800(USB)、RF910(USB)：用于向AT89C52进行程序烧写。
实施例3、密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法
A、基础测量配制设定：采用基于TCSPC单光子探测技术的光泄漏测量系统对单片机密码芯片进行光泄漏信号采集，单片机采用运行AES算法的AT89C52单片机，将TCSPC模块采集处理周期设为5μs，其时间通道数为4096，每个测量周期有效时间均为约4μs，测试时间均为10分钟；测试代码采用一段mov指令；采集光泄露信号时让光纤通过透镜对准SRAM存储器上R7寄存器的位置；
B、暗检验：在暗室环境下，密码芯片不上电不工作，经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到暗计数数据（也可形成波形，以横坐标为时间，纵坐标为光子数）；对所得数据取最值获取暗采集的数据区间L=〔0，x〕；此时，将x与事先设定的环境噪声最大值o进行比较，如果x＞o，则需要对检测环境进行检验和改进，直至x≤o，然后进入下一步；我们通过研究确认暗计数主要集中在5上下、10以内，最大不超过15，因此o取值范围为10-20，优选可采用15；
C、待机检验：经步骤B的检验后确认不存在环境异常因素；此时让密码芯片上电工作，但不执行任何实际运算指令，处于等待和执行空操作状态，此时经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到待机计数数据；对所得数据取最值获取待机采集的数据区间M=〔0，y〕；此时，将y与事先设定的“环境-设备”噪声最大值（o＋p）进行比较，如果y＞（o＋p），则需要对检测设备进行检验和改进，直至y≤（o＋p），然后进入下一步；我们的研究确认，此步骤的操作中，密码芯片没有针对R7寄存器进行任何操作，由于密码芯片的光泄漏特性，可以认为，透镜和光纤所对准区域（R7寄存器，属于SRAM区域）的晶体管没有发生转换，也就不会泄漏出光子，因此，待机数据与暗采集数据几乎一致，由此，p取值范围可选取0-5，大多数情况下直接令p=0即可；
D、工作检验：让芯片上电工作，并循环执行一段MOV指令，此时经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到工作数据；对所得数据取最值获取工作采集的数据区间N=〔0，z〕；此时，将z与事先设定的工作数据检验值q进行比较，如果z≤q，则需要对步骤A给定的整套光泄漏信号采集系统进行检验和改进，直至z＞q；我们的研究确认，几乎在所有情况下，z取值为（o＋p）的2倍以上，考虑到极端情况，可以令q取值为（o＋p）的（1-1.2）倍，实际实施的时候，直接令q取值为（o＋p）的1.2倍即可达到所需目的。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。
Claims (9)
1.密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
A、基础设定：采用基于TCSPC单光子探测技术的光泄漏测量系统对单片机密码芯片进行光泄漏信号采集，采集光泄露信号时让光纤通过透镜对准待测区域；
B、暗检验：在暗室环境下，密码芯片不上电不工作，经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到暗计数数据；对所得数据取最值获取暗采集的数据区间L=〔0，x〕；此时，将x与事先设定的环境噪声最大值o进行比较，如果x＞o，则需要对检测环境进行检验和改进，直至x≤o，然后进入下一步；
C、待机检验：经步骤B的检验后确认不存在环境异常因素，此时，让密码芯片上电工作，但不执行任何实际运算指令，处于等待和执行空操作状态，此时经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到待机计数数据；对所得数据取最值获取待机采集的数据区间M=〔0，y〕；此时，将y与事先设定的“环境-设备”噪声最大值（o＋p）进行比较，如果y＞（o＋p），则需要对检测设备进行检验和改进，直至y≤（o＋p），然后进入下一步；
D、工作检验：经步骤C的检验后确认不存在设备故障异常因素，此时，让芯片上电工作，并循环执行一段MOV指令，此时经透镜、光纤传输和单光子探测器采集、TCSPC模块计数处理，得到工作数据；对所得数据取最值获取工作采集的数据区间N=〔0，z〕；此时，将z与事先设定的工作数据检验值q进行比较，如果z≤q，则需要对步骤A给定的整套光泄漏信号采集系统进行检验和改进，直至z＞q；
E、记录并保存经步骤B、C、D确认的环境、设备和检测系统，用于密码芯片光泄露的采集。
2.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤A中，所述单片机采用运行AES算法的AT89C52单片机，采集光泄露信号时让光纤通过透镜对准SRAM存储器上R7寄存器的位置。
3.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤A中，将TCSPC模块采集处理周期设为5μs，测试时间均为10分钟；测试代码采用一段mov指令。
4.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤B中，o取值为10-20。
5.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤B中，o取值为15。
6.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤C中，p取值为0-5。
7.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤C中，p取值为0。
8.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤D中，q取值为（o＋p）的（1-1.2）倍。
9.根据权利要求１所述的密码芯片光泄露采集噪声的分析和处理方法，其特征在于：步骤D中，q取值为（o＋p）的1.2倍。
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| CN103812642A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-05-21 | 天津大学 | 一种密码算法硬件设计的安全检测方法 |
| CN104301088A (zh) * | 2014-09-20 | 2015-01-21 | 北京电子科技学院 | 密码芯片功耗分析装置、方法及功耗分析防护装置、方法 |
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2016
- 2016-03-02 CN CN201610116433.2A patent/CN105737994B/zh not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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