CN109657464A - 一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路检测技术领域，具体涉及一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法。包括检测结构，所述检测结构包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；确定载体电路中的脆弱线路；根据脆弱线路在载体电路上添加检测结构；对添加检测结构的载体电路进行第一次动态仿真；在载体电路中植入预先设定的木马；对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真；根据所述第一仿真结果和所述第二仿真结果判断所述载体电路中是否被植入了硬件木马。本发明实施例，增加了集成电路的可信度，使得木马攻击的难度加大。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路检测技术领域，具体涉及一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法。
背景技术
当今集成电路供应链的全球化已成趋势，生产出一块合格的芯片大致需要4个环节：IC设计、制造、测试及封装。由于完成各个环节的费用十分昂贵，技术体系十分庞大并且复杂，使得各个环节相分离，彼此单独进行。因此用户使用的芯片被硬件黑客植入木马的可能性变大，由此将引发芯片的安全问题，近年来集成电路的硬件木马问题，不仅仅在学术界，而且在工业界也引起了关注。一部分原因是芯片设计外包，制造厂往低成本地区迁移，使得设计制造分离。还有一部分原因是，随着芯片面积的减小，其集成度和复杂度越来越高，生产流程中对第三方知识产权(IP)和不同厂商自动化工具的依赖增加。从本质上讲，硬件木马植入后的芯片极有可能具备一些设计师、供应商或者用户都不知道的附加功能。经部署后这些附加功能被激发，利用现有芯片去实施一些攻击犯罪。攻击一旦被触发，轻则增加芯片功耗，重则窃取用户敏感数据，使芯片瘫痪。
过去几年已经提出了一些木马检测方法。一般而言，检测方法可以分为反剖芯片、旁路信息分析或木马激活三类。在没有植入木马之前的芯片的时序信息是可以提取到的，将其提取出来作为签名，一旦第三方向芯片中加入了硬件木马就会改变芯片的时序信息。从而被检测出来。这种方法的优点是不需要完全激活木马电路(逻辑测试技术)，也不需要破坏电路(失效分析)，检测准确度高。基于时序的侧信道检测方法主要有两种，有研究人员使用芯片的延时信息作为水印去判断待测芯片中是否存在硬件木马。也有研究人员使用延时检测结构将芯片中的时延信息提取出来作为水印与待测芯片进行对比。
但是，第一种检测方法只能检测到对关键路径影响较大的硬件木马，而如果需要检测那些只改变非关键路径延时的硬件木马，需要做大量的测试用例。然而木马为了保持其隐蔽性，大多存在于非关键路径上面，从而降低其存在对延时和功耗的影响。同时对于大部分组合逻辑型的硬件木马不存在和时钟网络的连接，因此很难检测到组合逻辑型木马的存在。第二种方法由于其载体电路是一个纯组合逻辑电路，只在每一个原始输出端口添加影子寄存器，这样一来不仅增加了pad的消耗，还增大了面积开销。同时，实际电路中即存在组合逻辑电路也存在时序逻辑电路，因此该方法解决的问题过于片面。使得木马检测无法达到预期的效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，所述方法步骤如下：
确定所述载体电路中的脆弱线路；
根据所述脆弱线路在载体电路上添加检测结构；
对添加检测结构的载体电路进行第一次动态仿真，得到第一仿真结果；
在载体电路中植入预先设定的木马；
对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真，得到第二仿真结果；
根据所述第一仿真结果和所述第二仿真结果判断所述载体电路中是否被植入了硬件木马；
其中，所述检测结构包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；
所述数据选择器包括第一数据选择器和若干第二数据选择器；
所述结果输出模块包括结果寄存器；
所述检测模块包括影子时钟、影子寄存器和异或门，所述影子寄存器的控制端与影子时钟连接，所述影子寄存器的输入端与组合逻辑路径的输出端连接，所述影子寄存器的输出端与异或门的一个输入端连接，所述异或门的另一个输入端与目的寄存器的输出端相连；
所述第一数据选择器的一个输入端与一个检测模块的异或门输出端连接，另一个输入端与目的寄存器连接，第一数据选择器的输出端与结果寄存器的输入端相连；
所述第二数据选择器的一个输入端与一个检测模块的异或门输出端连接，另一个输入端与上一检测结构的结果寄存器的输出端连接，第二数据选择器的输出端与一个结果寄存器的输入连接。
在本发明的一个实施例中，根据所述脆弱线路在载体电路上添加检测结构，包括，
若脆弱线路的末端是目的寄存器，则在脆弱线路的末端直接添加检测结构；
若脆弱线路的末端是载体电路的原始输出，则在所述原始输出的末端连接寄存器后在脆弱线路的末端添加检测结构。
在本发明的一个实施例中，还包括对添加检测结构的载体电路进行静态分析；根据静态分析结果，对电路中元器件间的距离进行调整，保证目的寄存器和影子寄存器的时钟网络延迟相等。
在本发明的一个实施例中，在载体电路中植入预先设定的木马，包括，
在载体电路中的不同位置插入至少两种木马，且每插入一个木马，都对载体电路进行静态时序分析，若判断载体电路的时序正确则插入下一个木马。
在本发明的一个实施例中，还包括对植入木马的载体电路进行静态分析；根据静态分析结果，对电路中元器件间的距离进行调整，保证目的寄存器和影子寄存器的时钟网络延迟相等。
在本发明的另一个一个实施例中，对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真，得到第二仿真结果，包括，
对植入木马的载体电路进行动态仿真，得到初次仿真结果；
在对加入木马的载体电路进行仿真的环境中加入工艺偏差；
在加入工艺偏差的环境中对植入木马的载体电路进行带入初次仿真结果的动态仿真，得到第二仿真结果。
本发明还提供了一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法的检测电路，包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；
所述数据选择器包括第一数据选择器和若干第二数据选择器；
所述结果输出模块包括结果寄存器；
所述检测模块包括影子时钟、影子寄存器和异或门，所述影子寄存器(2)的控制端与影子时钟连接，所述影子寄存器的输入端与组合逻辑路径的输出端连接，所述影子寄存器的输出端与异或门的一个输入端连接，所述异或门的另一个输入端与目的寄存器的输出端相连；
所述第一数据选择器的一个输入端与一个检测模块的异或门输出端连接，另一个输入端与目的寄存器连接，第一数据选择器的输出端与结果寄存器的输入端相连；
所述第二数据选择器的一个输入端与一个检测模块的异或门输出端连接，另一个输入端与上一检测结构的结果寄存器的输出端连接，第二数据选择器的输出端与一个结果寄存器的输入连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在传统的时序侧信道检测技术的基础上采用了延迟侧信道检测技术，提供了一种可以检测电路中任一条路径延时的方法，在对关键路径进行检测的同时也对电路中的脆弱线路进行检测，使得木马攻击的难度加大，从而增加集成电路的可信度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法的流程框图；
图2为本发明提供的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法的检测电路的结构示意图；
附图说明：影子时钟-1；影子寄存器-2；异或门-3；结果寄存器-4；源寄存器-5；组合逻辑路径-6；目的寄存器7；第一数据选择器-8；第二数据选择器-9；控制信号-10。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例提供了一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，所述方法步骤如下：
确定所述载体电路中的脆弱线路；
根据所述脆弱线路在载体电路上添加检测结构；
对添加检测结构的载体电路进行第一次动态仿真，得到第一仿真结果；
在载体电路中植入预先设定的木马；
对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真，得到第二仿真结果；
根据所述第一仿真结果和所述第二仿真结果判断所述载体电路中是否被植入了硬件木马；
其中，所述检测结构包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；
所述数据选择器包括第一数据选择器8和若干第二数据选择器9；
所述结果输出模块包括结果寄存器4；
所述检测模块包括影子时钟1、影子寄存器2和异或门3，所述影子寄存器2的控制端与影子时钟1连接，所述影子寄存器2的输入端与组合逻辑路径6的输出端连接，所述影子寄存器2的输出端与异或门3的一个输入端连接，所述异或门3的另一个输入端与目的寄存器7的输出端相连；
所述第一数据选择器8的一个输入端与一个检测模块的异或门3输出端连接，另一个输入端与目的寄存器7连接，第一数据选择器8的输出端与结果寄存器4的输入端相连；
所述第二数据选择器9的一个输入端与一个检测模块的异或门3输出端连接，另一个输入端与上一检测结构的结果寄存器4的输出端连接，第二数据选择器9的输出端与一个结果寄存器4的输入连接。
具体的，载体电路包括源寄存器5、组合逻辑路径6和目的寄存器7，源寄存器5和目的寄存器7的控制端均与主时钟连接，源寄存器5的输出通过组合逻辑路径6与目的寄存器7的输入相连。
具体的，将原始载体电路进行逻辑综合，得到网表文件；在网表中利用可测性设计工具插入扫描链，得到带有扫描链的载体电路，和带有延时信息的文件；使用自动测试向量模式生成工具产生测试向量，将插入扫描链之后的网表文件和延时文件以及库文件在仿真工具中进行仿真；计算每一个节点的翻转率；从翻转率低于阈值的节点出发，采用广度优先搜索算法向后寻找扇出，直到搜索到寄存器或者原始输出停止，找到载体电路中的低活性线路上的短路径作为脆弱路径。
具体的，脆弱线路指的是低活性线路上的短路径。低活性线路保证了木马的隐蔽性，不易被触发；工艺噪声对短路径的影响大于长路径，植入短路径的木马更容易被检测到，为硬件木马植入提供了有益条件。根据本发明的检测结构，可以检测到低活性线路上的短路径的路径延迟，以此作为水印用以对比集成电路是否可信。
具体的，使用Tetramax生成测试向量对载体电路进行动态仿真；将所述电路中的每一个节点的翻转率提取出来；设定所述节点翻转率阈值；根据所述节点的信号翻转率与所述阈值之间的关系建立低可控性节点列表；根据所述低可控性节点列表出发向后寻找扇出，直到找到最短路径；所述最短路径的终点必然为寄存器或者原始输出。
具体的，在传统的时序侧信道检测技术的基础上采用了延迟侧信道检测技术，提供了一种可以检测电路中任一条路径延时的方法，在对关键路径进行检测的同时也对电路中的脆弱线路进行检测，使得木马攻击的难度加大，从而增加集成电路的可信度。
具体的，使用Tetramax生成基于翻转延时故障的测试向量，并使用测试向量进行第一次动态仿真和第二次动态仿真。
在本发明的一个实施例中，根据所述脆弱线路在载体电路上添加检测结构，包括，
若脆弱线路的末端是目的寄存器7，则在脆弱线路的末端直接添加检测结构；
若脆弱线路的末端是载体电路的原始输出，则在所述原始输出的末端连接寄存器后在脆弱线路的末端添加检测结构。
具体的，在原始输出的末端连接寄存器还可以减少毛刺产生，使电路更加稳定。
在本发明的一个实施例中，还包括对添加检测结构的载体电路进行静态分析；根据静态分析结果，对电路中元器件间的距离进行调整，保证目的寄存器7和影子寄存器2的时钟网络延迟相等。
具体的，为防止添加检测结构后的载体电路因目的寄存器7和影子寄存器2的时钟网络延迟不同的问题无法正常运行，需对载体电路进行静态时序分析，并根据静态时序分析结果对电路进行调整。
在本发明的一个实施例中，在载体电路中植入预先设定的木马，包括，
在载体电路中的不同位置插入至少两种木马，且每插入一个木马，都对载体电路进行静态时序分析，若判断载体电路的时序正确则插入下一个木马。
具体的，为确保检测结果的正确性和准确性，需要选取多种木马对电路进行检测。
具体的，选取的至少两种类型的木马，其中包括组合逻辑型木马和时序逻辑型木马，选取的木马是有特定的功能的，具备激活机制和有效载荷。将至少两种木马分别插入不同的位置，在满足一定的情况下可以被激活，在检测过程中不需要被激活。
在本发明的另一个一个实施例中，对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真，得到第二仿真结果，包括，
对植入木马的载体电路进行动态仿真，得到初次仿真结果；
在对加入木马的载体电路进行仿真的环境中加入工艺偏差；
在加入工艺偏差的环境中对植入木马的载体电路进行带入初次仿真结果的动态仿真，得到第二仿真结果。
具体的，第二次动态仿真具体包括了两种仿真，首先，对植入木马的载体电路进行一次动态仿真，得到初次仿真结果；然后，在仿真环境中加入工艺偏差；最后再对植入木马的载体电路在加入工艺偏差的环境中进行动态仿真，并在动态仿真的过程中加入初次仿真结果。
具体的，初次仿真结果是在植入木马的载体电路不考虑工艺偏差的环境中进行的仿真，所以初次仿真结果更加细致，在加入工艺偏差的环境中进行的动态仿真里带入初次仿真结果，可以防止因为工艺噪声忽视不易检测的电路，使的仿真过程更加准确。
本发明还提供了一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法的检测电路，包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；
所述数据选择器包括第一数据选择器8和若干第二数据选择器9；
所述结果输出模块包括结果寄存器4；
所述检测模块包括影子时钟1、影子寄存器2和异或门3，所述影子寄存器2的控制端与影子时钟1连接，所述影子寄存器2的输入端与组合逻辑路径6的输出端连接，所述影子寄存器2的输出端与异或门3的一个输入端连接，所述异或门3的另一个输入端与目的寄存器7的输出端相连；
所述第一数据选择器8的一个输入端与一个检测模块的异或门3输出端连接，另一个输入端与目的寄存器7连接，第一数据选择器8的输出端与结果寄存器4的输入端相连；
所述第二数据选择器9的一个输入端与一个检测模块的异或门3输出端连接，另一个输入端与上一检测结构的结果寄存器4的输出端连接，第二数据选择器9的输出端与一个结果寄存器4的输入连接。
具体地，如图2所示，在组合逻辑路径6的末端添加了一个额外的不属于原始载体电路的寄存器，称为影子寄存器2，控制影子寄存器2的时钟也是额外添加入电路的一个时钟，成为影子时钟1。影子时钟1与电路原本的主时钟是有着相同的频率，但是他们的相位差不相同。影子时钟1相对于电路的时钟存在一个负的相位偏差，而且这个相位偏差是可以调节的。通过调整这个相位偏差去控制目的地寄存器和影子寄存器2去捕捉组合逻辑路径6终点的时间。也就是说，所述影子寄存器2总是提前于目的地寄存器去采样，通过逐步加大这个负的相位偏差，将会把组合逻辑路径6的裕量逐渐逼近于零。这个时候就会出现目的地寄存器和影子寄存器2捕捉不同数值的情况。
具体地，当一个时钟周期到来，数据从源寄存器5出发，经过组合逻辑翻转和变化，最终由目的地寄存器所捕获。当影子寄存器2和目的寄存器7的负相位差足够大到将组合逻辑路径6裕量逼近与零时，这种情况下连影子寄存器2和目的寄存器7的异或门3会输出“1”，表明捕捉到不同值，该值会通过结果寄存器4寄存下来，然后通过控制信号10的切换从结果位输出。当控制信号10为1的时候，选通输入为结果寄存器4的输出，将输出结果移位出来，当控制信号10为0的时候，选通输入为异或门3的输出，输出为寄存器保存异或门3的输出结果。
这样做使得原本很多的的输出端口变成一个输出端口，很大程度上减少了输出端口的开销，也减小了电路面积上的开销。
第一数据选择器8的一个输入端口可以与目的寄存器7的输出连接，以减小亚稳态出现的概率。
具体的，当控制信号10处于非使能状态时，通过异或门3捕捉到检测结构得到的检测结果，再将结果输入至寄存器中保存下来。上面方框部分是移位结构，当控制信号10处于使能状态时，之前捕捉到并保存检测结果的寄存器通过输出链一位接着一位的移位输出。
具体的，将结果位通过控制信号选择输出，通过特定的电路连接关系，减少了输出端口的数量，变成只需要一个输出端口，极大程度上减小了芯片的面积。
具体的，在电路中加入检测结构，对原始电路形成混淆，一旦有硬件木马植入，就会对电路原始功能造成影响。如果加到这个结构中，可以很容易的检测硬件木马的存在。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，包括载体电路，其特征在于：所述方法步骤如下：
确定所述载体电路中的脆弱线路；
根据所述脆弱线路在载体电路上添加检测结构；
对添加检测结构的载体电路进行第一次动态仿真，得到第一仿真结果；
在载体电路中植入预先设定的木马；
对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真，得到第二仿真结果；
根据所述第一仿真结果和所述第二仿真结果判断所述载体电路中是否被植入了硬件木马；
其中，所述检测结构包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；
所述数据选择器包括第一数据选择器(8)和若干第二数据选择器(9)；
所述结果输出模块包括结果寄存器(4)；
所述检测模块包括影子时钟(1)、影子寄存器(2)和异或门(3)，所述影子寄存器(2)的控制端与影子时钟(1)连接，所述影子寄存器(2)的输入端与组合逻辑路径(6)的输出端连接，所述影子寄存器(2)的输出端与异或门(3)的一个输入端连接，所述异或门(3)的另一个输入端与目的寄存器(7)的输出端相连；
所述第一数据选择器(8)的一个输入端与一个检测模块的异或门(3)输出端连接，另一个输入端与目的寄存器(7)连接，第一数据选择器(8)的输出端与结果寄存器(4)的输入端相连；
所述第二数据选择器(9)的一个输入端与一个检测模块的异或门(3)输出端连接，另一个输入端与上一检测结构的结果寄存器(4)的输出端连接，第二数据选择器(9)的输出端与一个结果寄存器(4)的输入连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，其特征在于：根据所述脆弱线路在载体电路上添加检测结构，包括，
若脆弱线路的末端是目的寄存器(7)，则在脆弱线路的末端直接添加检测结构；
若脆弱线路的末端是载体电路的原始输出，则在所述原始输出的末端连接寄存器；
在连接寄存器后的脆弱线路的末端添加检测结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，其特征在于：还包括对添加检测结构的载体电路进行静态分析；根据静态分析结果，对电路中元器件间的距离进行调整，保证目的寄存器(7)和影子寄存器(2)的时钟网络延迟相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，其特征在于：在载体电路中植入预先设定的木马，包括，
在载体电路中的不同位置插入至少两种木马，且每插入一个木马，都对载体电路进行静态时序分析，若判断载体电路的时序正确则插入下一个木马。
5.根据权利要求4所述的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，其特征在于：还包括对植入木马的载体电路进行静态分析；根据静态分析结果，对电路中元器件间的距离进行调整，保证目的寄存器(7)和影子寄存器(2)的时钟网络延迟相等。
6.根据权利要求5所述的一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法，其特征在于：对植入预先设定的木马的载体电路进行第二次动态仿真，得到第二仿真结果，包括，
对植入木马的载体电路进行动态仿真，得到初次仿真结果；
在对加入木马的载体电路进行仿真的环境中加入工艺偏差；
在加入工艺偏差的环境中对植入木马的载体电路进行带入初次仿真结果的动态仿真，得到第二仿真结果。
7.一种基于路径延时分析的硬件木马检测方法的检测电路，其特征在于：包括依次连接的检测模块、结果输出模块和数据选择器；
所述数据选择器包括第一数据选择器(8)和若干第二数据选择器(9)；
所述结果输出模块包括结果寄存器(4)；
所述检测模块包括影子时钟(1)、影子寄存器(2)和异或门(3)，所述影子寄存器(2)的控制端与影子时钟(1)连接，所述影子寄存器(2)的输入端与组合逻辑路径(6)的输出端连接，所述影子寄存器(2)的输出端与异或门(3)的一个输入端连接，所述异或门(3)的另一个输入端与目的寄存器(7)的输出端相连；
所述第一数据选择器(8)的一个输入端与一个检测模块的异或门(3)输出端连接，另一个输入端与目的寄存器(7)连接，第一数据选择器(8)的输出端与结果寄存器(4)的输入端相连；
所述第二数据选择器(9)的一个输入端与一个检测模块的异或门(3)输出端连接，另一个输入端与上一检测结构的结果寄存器(4)的输出端连接，第二数据选择器(9)的输出端与一个结果寄存器(4)的输入连接。
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