CN109214176B - 一种基于短时域分析的侧信道信号预处理方法 - Google Patents

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Abstract

基于短时域分析的侧信道信号预处理方法，包括：(1)设置侧信道信号采集的基本环境，设示波器当前采样频率为f,设密码设备运行的时钟频率为fs,密码设备的运行频率为采集到的侧信道信号的点数为M，条数为N,令信号矩阵为TN*M；(2)确定选择所用窗函数窗的大小，窗的大小以密码设备的运行的时钟为单位，窗的大小计算方法如下:设窗的大小为n,n＝f/fs；(3)根据窗的大小n对信号矩阵的进行短时能量分析，直到信号矩阵的每行计算完成；(4)完成矩阵所有行的短时能量分析后，得到新矩阵T′。本发明：(1)运行该预处理的方法可以有效提高侧信道攻击的效率；(2)对侧信道信号进行了有效的压缩，缩短了攻击检测的时间。

Description

一种基于短时域分析的侧信道信号预处理方法
技术领域
本发明涉及芯片安全攻击检测领域，具体涉及一种基于短时域分析的侧信道信号预处理方法。
背景技术
传统的密码分析侧重于密码算法本身的数学特征，而忽略了密码设备在运行密码算法过程中泄露的物理信号。自1996年Paul Kochers首次提出利用时间分析密码设备中的敏感信息的思想以来，侧信道分析受到了极大的关注，并且相关研究已经成为密码学研究的一个重要的分支，被广泛的应用在密码芯片的攻击检测领域。侧信道攻击的基本原理是用过采集密码设备在运行过程中的能量信息或者电磁信息，然后通过统计分析的方法进行恢复密钥信息。
在进行侧信道攻击的过程中，需要对采集到的密码设备的侧信道信号进行预处理，采集到的侧信道信号是非平稳、时变、离散型大，信息量大的复杂信号，对于攻击检测人员来讲，处理难度较大，因为侧信道信号携带着各种信息，侧信道信号是一个未知的信号，根据目前的研究表明，采集到侧信道泄露信号与密码设备运行的时钟频率、所处理的数据、所进行的操作有较大的相关关系。
发明内容
发明要解决的技术问题是针对目前侧信道信号预处理的方法不够灵活，需要大量的参数配置等缺点，提出一种具有普适性的侧信道信号预处理的方法，有效地提高了侧信道攻击的效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于短时域分析的侧信道信号预处理方法，包括如下步骤：
(1)设置侧信道信号采集的基本环境，设示波器当前采样频率为f,设密码设备运行的时钟频率为fs,密码设备的运行频率为采集到的侧信道信号的点数为M，条数为N,令信号矩阵为TN*M；
(2)确定选择所用窗函数窗的大小，窗的大小以密码设备的运行的时钟为单位，窗的大小计算方法如下:设窗的大小为n,n＝f/fs；
(3)根据窗的大小n对信号矩阵的进行短时能量分析，直到信号矩阵的每行计算完成；
(4)完成矩阵所有行的短时能量分析后，得到新矩阵T′。
与现有技术相比，本发明创造的技术效果主要有以下两点：
(1)运行该预处理的方法可以有效提高侧信道攻击的效率；
(2)对侧信道信号进行了有效的压缩，缩短了攻击检测的时间。
附图说明
图1为预处理的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
短时分析技术主要用在处理语音信号，其基本原理是用平稳信号的处理方法处理非平稳的信号，侧信道信号虽然具有时变特性，由于电容的充放电，但是在一个短时间范围内，基本特性基本保持不变，因此侧信道信号也是具有短时平稳性的，类比分析可以得知，运用短时分析技术对侧信道信号进行预处理是完全可行的。
常见的短时处理方法有短时平均能量分析、短时平均幅度分析、短时过零检测等基本方法，本发明主要是利用短时平均能量对侧信道信号进行预处理。短时平均能量分析主要用于非平稳信号的处理中，其基本定义式如下：短时平均能量
Figure BDA0001790830300000031
,E(n)代表一个分段信号的能量，通过此式可以得知。短时平均能量相当于信号的平方通过一个单位函数的响应为h(n)的线性滤波器的输出。同时不同窗口的选择将决定短时能量的特性，常见的窗口有汉宁窗、海明窗、直角窗等，直角窗的谱平滑较好，但波形细节丢失，为海明窗刚好相反。另外一方面，窗口的长度对于能否反映信号的幅度变化，将起决定作用。如果窗口很大，等效于带宽很窄的低通滤波器，此时En随时间的变化很小，不能反映信号的幅度变化，波形的变化细节无法观测，反之窗口太小，滤波器的通带变宽，短时能量随时间有急剧变化，不能得到平滑的能量函数。
如图1所示，一种基于短时域分析的侧信道信号预处理方法，由于采集到的侧信道信号主要是以电压信号为主，令某段时间采集到的电压信号为 U＝(u1，u2，...ut),利用短时分析的方法实现电压的平方操作，将其转化为功率信号，同时进行窗口函数的滤波操作。
具体方法包括如下步骤：
(1)设置侧信道信号采集的基本环境，设示波器当前采样频率为f,设密码设备运行的时钟频率为fs,密码设备的运行频率为采集到的侧信道信号的点数为M，条数为N,令信号矩阵为TN*M；
(2)确定选择所用窗函数窗的大小，窗的大小以密码设备的运行的时钟为单位，窗的大小计算方法如下:设窗的大小为n,n＝f/fs；
(3)根据窗的大小n对信号矩阵的进行短时能量分析，直到信号矩阵的每行计算完成；
(4)完成矩阵所有行的短时能量分析后，得到新矩阵T′。
本发明在分析侧信道信号产生的机理基础上，利用短时域分析中的短时能量分析方法对侧信道信号进行预处理。利用该方法对侧信道信号进行预处理，缩短了侧信道攻击检测的时间，有效提高了侧信道攻击检测效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于短时域分析的侧信道信号预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置侧信道信号采集的基本环境，设示波器当前采样频率为f,设密码设备运行的时钟频率为fs,密码设备的运行频率为采集到的侧信道信号的点数为M，条数为N,令信号矩阵为TN*M；
(2)确定选择所用窗函数窗的大小，窗的大小以密码设备的运行的时钟为单位，窗的大小计算方法如下:设窗的大小为n,n＝f/fs；
(3)根据窗的大小n对信号矩阵进行短时能量分析，直到信号矩阵的每行计算完成；
(4)完成矩阵所有行的短时能量分析后，得到新矩阵T′。
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