CN106712926B - 信号处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信号处理方法及装置，所述方法包括：在同一时间点，获得第一信号集，第一信号集中的信号为运行密码算法的密码模块的不同位置的信号或电阻的电压信号，第一信号集与密码算法的中间变量对应，第一信号集服从非正态分布；依据预设规则，从第一信号集中提取第二信号集；采用ICA算法从第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。由于与密码算法的中间变量对应的第一信号集服从非正态分布，本申请不仅从时间上减少了存在的叠加噪声信号，而且密码算法的中间变量所对应的物理信息也服从非正态分布，从而使得ICA算法可以准确提取与该中间变量所对应的物理信息。

Description

信号处理方法及装置
技术领域
本发明涉及密码算法分析检测技术领域，特别是涉及一种信号处理方法及装置。
背景技术
随着信息技术的发展，各种密码算法正被广泛地应用于经济、军事、行政等重要部门，保护信息的安全性。鉴于密码算法的重要性，密码算法软硬件实现(密码模块)的分析研究对保护信息安全具有重要的意义。近年来，多种对密码模块的攻击已广为人知，一般来说，这些攻击的目的都是为了获取密码模块中的密钥。侧信道分析以相对成本低廉、分析实施方便而被广泛使用，其中，侧信道分析指的是通过采集密码模块运行密码算法时的功耗、电磁信号等物理信息，来计算密码算法的密钥，从而达到破解的目的。
现有技术中，在侧信道分析中常用的信号处理方法为 PCA(principal ComponentAnalysis，主成份分析法)算法，PCA算法的主要思想是对在不同的时间点采集的密码模块的物理信息的协方差矩阵进行特征分解，将根据特征值大小排序的特征向量与原始的物理信息相乘，得到一些新的信号点，这些信号点的方差由大到小排序，也即信号的变化从大到小排序。一般认为方差大的信号点包含了更多的密钥信息。因此PCA完成了对原始物理信息的信号处理，即将不同时间点的有效信息进行了叠加。然而，当PCA 对不同时间点的物理信息进行线性变换时，也会对不同时间点的噪声进行叠加，这使得PCA处理之后的信号的信噪比可能会比较低，从而使得依据该信号计算得到的密钥准确度也比较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种信号处理方法及装置，以实现提供用于计算密钥的信噪比高的信号，技术方案如下：
一种信号处理方法，包括：
在同一时间点，获得第一信号集，所述第一信号集中的信号为运行密码算法的密码模块的不同位置的信号或电阻的电压信号，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地，所述第一信号集与所述密码算法的中间变量对应，所述第一信号集服从非正态分布；
依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集；
采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。
优选地，采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号之前，还包括：
将所述第二信号集中的信号时间上对齐。
优选地，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获得第一信号集，包括：
采集所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号，所述第一电阻第二端与所述密码模块相连，所述第二电阻第一端与所述密码模块相连；
根据所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号得到所述第一信号集。
优选地，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获得第一信号集，包括：
分别采集所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号；
根据所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号得到所述第一信号集。
优选地，所述依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集，包括：
接收用户的请求，所述请求中携带有信号波形的时间区间，所述时间区间为起始时间至结束时间，所述信号波形为所述第一信号集中的信号的波形；
响应用户的请求，从所述第一信号集中提取第二信号集，所述第二信号集中的每一信号的信号波形的时间区间对应所述请求中的时间区间。
一种信号处理装置，包括：
获取单元，用于在同一时间点，获得第一信号集，所述第一信号集中的信号为运行密码算法的密码模块的不同位置的信号或电阻的电压信号，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地，所述第一信号集与所述密码算法的中间变量对应，所述第一信号集服从非正态分布；
第一提取单元，用于依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集；
第二提取单元，用于采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。
优选地，还包括：
对齐单元，用于采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号之前，将所述第二信号集中的信号时间上对齐。
优选地，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获取单元包括：
第一采集单元，用于采集所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号，所述第一电阻第二端与所述密码模块相连，所述第二电阻第一端与所述密码模块相连；
第一获得单元，用于根据所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号得到所述第一信号集。
优选地，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获取单元包括：
第二采集单元，用于分别采集所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号；
第二获得单元，用于根据所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号得到所述第一信号集。
优选地，所述第一提取单元，包括：
接收单元，用于接收用户的请求，所述请求中携带有信号波形的时间区间，所述时间区间为起始时间至结束时间，所述信号波形为所述第一信号集中的信号的波形；
响应单元，用于响应用户的请求，从所述第一信号集中提取第二信号集，所述第二信号集中的每一信号的信号波形的时间区间对应所述请求中的时间区间。
本实施例的方案，获得用于计算密码算法的轮密钥的第三信号时，由于与密码算法的中间变量对应的第一信号集服从非正态分布，本申请不仅从时间上减少了存在的叠加噪声信号，而且密码算法的中间变量所对应的物理信息也服从非正态分布，从而使得ICA算法可以准确提取与该中间变量所对应的物理信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种信号处理方法的一种流程示意图；
图2-a为本发明实施例所提供的一种信号处理方法的另一种流程示意图；
图2-b为本发明实施例所提供的获得第一信号集的一种流程示意图；
图2-c为本发明实施例所提供的获得第一信号集的另一种流程示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种信号处理装置的一种结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的一种信号处理装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的信号处理方法的一种实现流程图，所述方法包括：
步骤S101、在同一时间点，获得第一信号集。
本申请中，由于采用ICA(Indenpend Component Analysis,独立成分分析) 算法对采集的密码模块(如密码芯片)的信号进行非正态分量的提取，所以，需要采集同一时间点、在密码模块的不同位置的信号组成的第一信号集或电阻的电压信号组成的第一信号集，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地，所述第一信号集服从非正态分布。
由于本申请的方案最终提取的信号用于计算轮密钥，因此，所采集的密码模块是正在运行密码算法的密码模块。
以密码模块为密码芯片为例，具体实现时，当采集的第一信号集为电磁信号集，在密码芯片表面的不同位置放置两个或以上完全一样的电磁探头，并用示波器同时记录这些电磁探头所采集的波形信号，并将其保存下来，以供后续使用；当采集的第一信号集为电阻的电压信号(通过电压信号可以得到功耗信号)时，此时，通过示波器采集第一电阻第二端的电压信号及第二电阻第一端的电压信号，或，通过示波器采集第一电阻两端的电压信号及第二电阻两端的电压信号。
现有的密码算法在实现时，都需要经过多轮运算，如，AES-128算法需要10轮、SM4算法需要32轮等，为了区分作为分析的密码算法部分和非分析的密码算法部分，本实施例使第一信号集服从非正态分布，实际应用时，根据示波器探测探头所采集的非正态分布的且与中间变量对应的物理信息 (即第一信号集)，可以获得被分析的密码算法部分的信号，进一步，可以根据该信号计算被分析的密码算法部分的密钥，其中，本实施例中的物理信息包括但不局限于电磁信号及功耗信号。
实际应用中，对于根据第一轮密钥能计算其他轮子密钥的密码算法，采用本申请的方案，只需要选择第一轮的输入明文使第一信号集服从非正态分布，如AES-128算法，而对于根据第一轮密钥不能计算其他轮密钥的密码算法，可以采用本申请的方案处理的信号计算第一轮密钥，并根据计算得到的第一轮密钥与输入的明文推算第二轮运算所需要的输入，并使第一信号集服从非正态分布，并进一步根据本申请方案获得计算第二轮运算密钥的第三信号，依此类推。
步骤S102、依据预设规则，分别提取所述第一信号集中的每一信号，以获得第二信号集。
由于示波器上的信号波形的波峰对于应密码算法的轮数，因此，可以根据被分析的密码算法部分在整个密码算法部分所处的轮数，从第一信号集对应的信号波形集上获取第二信号集，即第二信号集为被分析的密码算法部分，具体地，可以根据用户的请求从第一信号集的信号波形上获取第二信号集，用户的请求至少携带有被分析的密码算法部分所发生的时间，如，若被分析的密码算法部分为SM4的第2轮运算，则用户的请求携带有第2轮运算的起始时间和结束时间。
步骤S103、采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。
ICA算法主要用于从混合数据中提取原始的独立信号，因此，本申请采用ICA算法从混有非正态分布的信号与正态分布的信号的第二信号集中提取服从非正态分布的信号。
本实施例的方案，获得用于计算密码算法的轮密钥的第三信号时，由于与密码算法的中间变量对应的第一信号集服从非正态分布，本申请不仅从时间上减少了存在的叠加噪声信号，而且密码算法的中间变量所对应的物理信息也服从非正态分布，从而使得ICA算法可以准确提取与该中间变量所对应的物理信息。
请参阅图2-a，图2-a为本申请实施例提供的信号处理方法的另一种实现流程图，所述方法包括：
步骤S201、在同一时间点，获得第一信号集。
所述第一信号集与运行所述密码算法过程中的中间变量相对应，第一信号集服从非正态分布。
本实施例中，非正态分布包括但不限于拉普拉斯分布。
当第一信号集中的信号为电阻的电压信号时，步骤S201具体通过以下方式实现：
步骤2011、采集所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号，所述第一电阻第二端与所述密码模块相连，所述第二电阻第一端与所述密码模块相连；
步骤2012、根据所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号得到所述第一信号集；
或，
步骤2013、分别采集所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号；
步骤2014、根据所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号得到所述第一信号集。
其中，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地。
步骤S202、接收用户的请求，所述请求中携带有信号波形的时间区间，所述时间区间为起始时间至结束时间，所述信号波形为所述第一信号集中的信号的波形。
步骤S203、响应用户的请求，从所述第一信号集中提取第二信号集，所述第二信号集中的每一信号的时间区间对应所述请求中的时间区间。
步骤S204、将所述第二信号集中的信号时间上对齐。
步骤S205、采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。
本实施例的方案，获得用于计算密码算法的轮密钥的第三信号时，由于与密码算法的中间变量对应的第一信号集服从非正态分布，本申请不仅从时间上减少了存在的叠加噪声信号，而且密码算法的中间变量所对应的物理信息也服从非正态分布，从而使得ICA算法可以准确提取与该中间变量所对应的物理信息。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的信号处理装置的一种结构示意图，该装置结构示意图中的各单元的工作过程参照图1对应的实施例中方法的执行过程，该装置包括：
获取单元310，用于在同一时间点，获得第一信号集，所述第一信号集中的信号为运行密码算法的密码模块的不同位置的信号或电阻的电压信号，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地，所述第一信号集与所述密码算法的中间变量对应，所述第一信号集服从非正态分布；
实际应用中，第一信号集包括但不限于电磁信号、电压信号等物理信息，当第一信号为电压信号时，所述密码模块与电源之间串联有第一电阻，所述密码模块通过第二电阻接地；
相应地，所述获取模块，包括：
第一采集单元，用于采集所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号，所述第一电阻第二端与所述密码模块相连，所述第二电阻第一端与所述密码模块相连；
第一获得单元，用于根据所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号得到所述第一信号集；
或，
第二采集单元，用于分别采集所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号；
第二获得单元，用于根据所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号得到所述第一信号集。
第一提取单元320，用于依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集；
第二提取单元330，用于采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。
本实施例的方案，获得用于计算密码算法的轮密钥的第三信号时，由于与密码算法的中间变量对应的第一信号集服从非正态分布，本申请不仅从时间上减少了存在的叠加噪声信号，而且密码算法的中间变量所对应的物理信息也服从非正态分布，从而使得ICA算法可以准确提取与该中间变量所对应的物理信息。
请参阅图4，图4为本申请实施例提供的信号处理装置的另一种结构示意图，该装置结构示意图中的各单元的工作过程参照图2-a -2-c 对应的实施例中方法的执行过程，该装置包括：
获取单元410、用于在同一时间点，获得第一信号集。
所述第一信号集与运行所述密码算法过程中的中间变量相对应，第一信号集服从非正态分布。
本实施例中，非正态分布包括但不限于拉普拉斯分布。
接收单元420，用于接收用户的请求，所述请求中携带有信号波形的时间区间，所述时间区间为起始时间至结束时间，所述信号波形为所述第一信号集中的信号的波形。
响应单元430，用于响应用户的请求，从所述第一信号集中提取第二信号集，所述第二信号集中的每一信号的时间区间对应所述请求中的时间区间。
对齐单元440，用于将所述第二信号集中的信号时间上对齐。
第二提取单元450，用于采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号。
本实施例的方案，获得用于计算密码算法的轮密钥的第三信号时，由于与密码算法的中间变量对应的第一信号集服从非正态分布，本申请不仅从时间上减少了存在的叠加噪声信号，而且密码算法的中间变量所对应的物理信息也服从非正态分布，从而使得ICA算法可以准确提取与该中间变量所对应的物理信息。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种信号处理方法，其特征在于，包括：
在同一时间点，获得第一信号集，所述第一信号集中的信号为运行密码算法的密码模块的不同位置的信号或电阻的电压信号，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地，所述第一信号集与所述密码算法的中间变量对应，所述第一信号集服从非正态分布；
依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集；
采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号；
其中，所述依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集，包括：
接收用户的请求，所述请求中携带有信号波形的时间区间，所述时间区间为起始时间至结束时间，所述信号波形为所述第一信号集中的信号的波形；
响应用户的请求，从所述第一信号集中提取第二信号集，所述第二信号集中的每一信号的信号波形的时间区间对应所述请求中的时间区间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号之前，还包括：
将所述第二信号集中的信号时间上对齐。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获得第一信号集，包括：
采集所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号，所述第一电阻第二端与所述密码模块相连，所述第二电阻第一端与所述密码模块相连；
根据所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号得到所述第一信号集。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获得第一信号集，包括：
分别采集所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号；
根据所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号得到所述第一信号集。
5.一种信号处理装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于在同一时间点，获得第一信号集，所述第一信号集中的信号为运行密码算法的密码模块的不同位置的信号或电阻的电压信号，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联于所述密码模块与电源之间，所述密码模块通过所述第二电阻接地，所述第一信号集与所述密码算法的中间变量对应，所述第一信号集服从非正态分布；
第一提取单元，用于依据预设规则，从所述第一信号集中提取第二信号集；
第二提取单元，用于采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号；
其中，所述第一提取单元，包括：
接收单元，用于接收用户的请求，所述请求中携带有信号波形的时间区间，所述时间区间为起始时间至结束时间，所述信号波形为所述第一信号集中的信号的波形；
响应单元，用于响应用户的请求，从所述第一信号集中提取第二信号集，所述第二信号集中的每一信号的信号波形的时间区间对应所述请求中的时间区间。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
对齐单元，用于采用ICA算法从所述第二信号集中提取服从非正态分布的第三信号之前，将所述第二信号集中的信号时间上对齐。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获取单元包括：
第一采集单元，用于采集所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号，所述第一电阻第二端与所述密码模块相连，所述第二电阻第一端与所述密码模块相连；
第一获得单元，用于根据所述第一电阻第二端的电压信号及所述第二电阻第一端的电压信号得到所述第一信号集。
8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述第一信号集中的信号为电阻的电压信号，所述获取单元包括：
第二采集单元，用于分别采集所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号；
第二获得单元，用于根据所述第一电阻两端的电压信号及所述第二电阻两端的电压信号得到所述第一信号集。
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DES密码芯片模板攻击技术研究;李佩之等;《计算机应用与软件》;20130430;第30卷(第4期);第310-312和333页

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