CN110807192A

CN110807192A - 一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法

Info

Publication number: CN110807192A
Application number: CN201911006649.3A
Authority: CN
Inventors: 黄亨利; 王小航
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: CN110807192B

Abstract

本发明公开了一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，包括众核系统中应对热隐蔽信道攻击的检测步骤和应对热隐蔽信道攻击的防御步骤，其中众核系统中应对热隐蔽信道攻击的检测步骤包括：使用内核温度信号功率对热隐蔽信道进行检测，使用内核温度信号频率对热隐蔽信道信号发送内核与接收内核进行定位；其中众核系统中应对热隐蔽信道攻击的防御步骤包括：使用动态调压调频技术改变热隐蔽信道信号发送内核与接收内核的电压和频率，从而破坏热隐蔽信道依赖的温度信号。本发明能够减少众核系统中热隐蔽信道攻击造成的信息泄露问题。

Description

一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别地，涉及众核片上系统的安全，具体地，涉及一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法。

背景技术

众核系统：在一个芯片上集成大量核心及其相关存储结构，依靠并行化提高计算性能。众核系统拥有大量的内核，内核间的通信依赖于数据包在片上网络的传递，数据包在产生与传递过程中需要占用内存等硬件资源，受到系统安全约束。

热隐蔽信道：不同于传统的数据包通信，内核间通过热量传递来建立热隐蔽信道，通过调控与识别各自的温度变化在热隐蔽信道上进行通信，不需要占用内存等硬件资源，不受系统安全约束。众核系统中热隐蔽信道一般由信号发送内核与接收内核构成，信号发送内核负责调控自身的温度变化把用户隐私信息编码进温度变化中并通过热量传输出去，信号接收内核一直记录自身内核的温度信息并解码温度变化以获得来自发送内核的信息。信号发送内核与接收内核使用相同的信号传输频率与数据协议，并通过握手机制确认对方处于工作状态，在握手过程中信号发送内核与接收内核的身份可以相互转换。

动态调压调频：一般内核的工作电压/频率越高，其处理能力与功耗越高，工作电压/频率越低，处理能力与功耗越低，内核功耗的高低变化使得内核自身以及周围的温度相应地高低变化。

在现在的众核芯片设计中，安全性成为一个非常关键的考虑因素，使得依靠传统数据包通信的技术手段在很大程度上受到系统的安全监控与约束。得益于愈加成熟的系统安全约束，用户隐私数据一般处于系统保护状态，处于该隐私区的恶意程序(可由芯片生产过程中不法分子植入芯片内核)无法通过传统的数据包传送机制发送隐私内容到外界。然而,如图1所示，通过热隐蔽信道，处于隐私区的恶意程序可以把获得的隐私内容编码为二进制数字串，进而根据二进制数字串来调控所处内核的温度，利用热量把温度变化传递到附近非保护区域的同伙内核中；同时，非保护区域的同伙内核根据协议解码温度变化进而获得隐私内容。热隐蔽信道能够抵抗负载、散热等其他因素导致的温度信号干扰，因为其他因素导致的温度信号在频谱上集中表现为：功率值从低频到高频不断降低，低频部分(小于50Hz)功率值较高，其他部分功率值接近于0。如图2所示，负载、散热等其他因素造成的温度信号变化集中在低频部分，低于50Hz的频率范围可视为热隐蔽信道噪声频段，因此热隐蔽信道攻击只要选择合适的攻击频率范围就可以实现低误码率、高传输效率的信息交流，绕过现有的系统安全约束，威胁用户数据安全。由于热隐蔽信道信号发送内核需要发送温度高低变化信号，为了使温度升高，发送内核需要在正常工作电压与频率下执行CPU密集型程序来增加功耗。然而，当处于很低的工作电压与频率时，发送内核可能无法提升需要的功耗进而导致信号编码出错，因此，可通过调节内核的电压频率来防御热隐蔽信道攻击。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，该方法包括基于温度信号频率扫描的检测步骤与基于动态调压调频的防御步骤，

其中，所述的基于温度信号频率扫描的检测步骤包括温度信号检测子步骤和热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤，

所述的温度信号检测子步骤具体如下：

全局管理者向所有内核发送检测请求指令；每个内核接收到检测请求指令后检测自身内核的温度信号，将在约束频率范围内的最大的信号功率值以及对应的信号频率回复给全局管理者；全局管理者接收到所有内核的回复后，将信号功率值超过给定功率阈值的内核标记为可疑内核；

所述的热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤具体如下：

全局管理者从所有可疑内核中选择拥有最大信号功率值的内核作为本次检测最可疑的热隐蔽信道信号发送内核，记录这个最可疑内核的位置以及信号频率；

如果在其他检测历史记录中出现的最可疑内核的信号频率与本次检测最可疑内核的信号频率相等或者误差不超过给定误差阈值，但两内核位置不同，则将这两个内核作为热隐蔽信道的信号发送内核与接收内核，取两者信号频率的平均值作为热隐蔽信道的传输频率；

如果未检测到可疑内核或者未定位发送内核与接收内核的位置，继续进行下一轮的检测步骤，否则进入防御步骤；

其中，所述的基于动态调压调频的防御步骤如下：

首先，全局管理者根据热隐蔽信道信号传输频率计算出每个信号脉冲所需的物理时间，记为T；

然后，全局管理者将已定位的内核作为防御的对象，在每一个物理时间为0.5T的间隔内，首先将已定位的内核的电压/频率值降低到0.6v/500MHz并维持0.45T～0.46T的时间，接着恢复该内核的电压/频率到正常值并维持0.04T～0.05T的时间。

进一步地，所述的约束频率范围内50Hz～400Hz。

进一步地，所述的温度信号检测子步骤中使用具有不同中心频率但有相同带宽的多个带通滤波器过滤内核的温度信号并得到所有与中心频率对应的温度信号功率值，其中带通滤波器的带宽为4Hz，带通滤波器的中心频率选择从50Hz开始到400Hz为止，每一个中心频率对应一个待检测的信号频率，多次对温度信号滤波以扫描遍历50Hz～400Hz范围内的所有信号频率。

进一步地，所述的热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤中，全局管理者将最近1～100次检测阶段所有最可疑的信号发送内核的位置与信号频率记录在内存中，待到明确定位发送内核与接收内核后清除该记录。

进一步地，所述的基于动态调压调频的防御步骤中，全局管理者随机选择信号发送内核与接收内核之一作为防御对象来破坏两者之间的握手协议。

进一步地，所述的基于动态调压调频的防御步骤中，全局管理者采用交替降低与恢复被防御内核的电压与频率的机制来保证安全地防御热隐蔽信道攻击并减少由降低内核电压与频率造成的性能损失

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明中涉及的众核系统上热隐蔽信道攻击领域尚且未有相关的防御方法，在现有的热隐蔽信道攻击技术中，热隐蔽信道攻击的平均误码率低于10％，且数据传输速度能够达到160bps，严重威胁用户隐私数据安全。而本发明提出的检测与防御方法，在一个大于等于8x8的众核系统中，使得热隐蔽信道攻击的检测准确率高达98％，平均误码率高达92％，由调压调频造成正常应用程序的性能损失低于3％，具有高安全性、低性能损失的优点。

附图说明

图1是众核系统中热隐蔽信道泄露安全信息模型图；

图2是普通情况下内核的温度变化功率谱图；

图3(a)是未采取防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度变化图；

图3(b)是采取动态调压调频防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度变化图；

图3(c)是未采取防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度信号功率谱图；

图3(d)是采取动态调压调频防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度信号功率谱图；

图4是系统检测与防御热隐蔽信道攻击的步骤图；

图5是未采取和采取防御措施的热隐蔽信道攻击平均情况的误码率效果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例

本实施例针对众核系统上内核间利用热隐蔽信道泄露敏感信息的攻击，以防御热隐蔽信道攻击为主要目的，从温度信号的频谱分析出发，提出一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，包括基于温度信号频率扫描的检测步骤与基于动态调压调频的防御步骤，其中，所述的检测步骤包括温度信号检测子步骤和热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤。

下面对温度信号检测子步骤进行分析说明，该子步骤具体如下：

全局管理者向所有内核发送检测请求指令。

每个内核接收到检测请求指令后检测自身内核的温度信号，将在约束频率范围内(50Hz～400Hz)的最大的信号功率值以及对应的信号频率回复给全局管理者。其中，每个内核可通过访问自身温度传感器采样得到温度信号；检测热隐蔽信道攻击的频率范围设计为50Hz～400Hz，是因为在低于50Hz的频率范围，温度信号容易受到诸如正常负载、散热等因素的干扰，且热量传输难以达到400Hz的速度，鲁棒的热隐蔽信道设计不会选择50Hz～400Hz之外不利于攻击的频率范围。

全局管理者接收到所有内核的回复后，将信号功率值超过与信号频率一一对应的功率阈值的内核标记为可疑内核。其中，每个检测的信号频率f对应一个功率阈值，阈值的设置涉及了对无热隐蔽信道攻击的内核的温度信号在频率f下的功率值进行采样并求均值的过程，且阈值设置为大于该均值。

该温度信号检测子步骤中使用具有不同中心频率但有相同带宽的多个带通滤波器过滤内核的温度信号并得到所有与中心频率对应的温度信号功率值，其中带通滤波器的带宽为4Hz，带通滤波器的中心频率选择从50Hz开始到400Hz为止，每一个中心频率对应一个待检测的信号频率，多次对温度信号滤波以扫描遍历50Hz～400Hz范围内的所有信号频率。

下面对热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤进行分析说明，该子步骤具体如下：

全局管理者从所有可疑内核中选择拥有最大信号功率值的内核作为本次检测最可疑的热隐蔽信道信号发送内核，记录这个最可疑内核的位置以及信号频率。正常情况下只有信号发送内核才具有最大的信号功率值。

如果在其他检测历史记录中出现的最可疑内核的信号频率与本次检测最可疑内核的信号频率相等或者误差不超过给定误差阈值，但两内核位置不同，则将这两个内核作为热隐蔽信道的信号发送内核与接收内核，取两者信号频率的平均值作为热隐蔽信道的传输频率。其中热隐蔽信道信号发送内核与接收内核遵循相同的信号传输频率与握手协议，在握手期间信号发送内核与接收内核可以互换发送者与接收者的角色来彼此进行消息确认，因此在握手不同时段，两者分别充当过发送者角色，在不同检测阶段可被记录为两个不同的最可疑的内核，而信号频率的测量允许在一定的误差范围内。

如果未检测到可疑内核或者未定位发送内核与接收内核的位置，继续进行下一轮的检测步骤，否则进入防御步骤。

在热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤中，全局管理者将最近1～100次检测阶段所有最可疑的发送者内核的位置与信号频率记录在内存中,待到明确定位发送内核与接收内核后清除该记录。

其中，所述的基于动态调压调频的防御步骤如下：

首先，全局管理者根据热隐蔽信道信号传输频率计算出每个信号脉冲所需的物理时间，记为T。

然后，全局管理者将已定位的内核作为防御的对象，在每一个物理时间为0.5T的间隔内，首先将已定位的内核的电压/频率值降低到0.6v/500MHz并维持0.45T～0.46T的时间，然后恢复该内核的电压/频率到正常值并维持0.04T～0.05T的时间。

在防御步骤中，全局管理者随机选择信号发送内核与信号接收内核之一作为防御对象来破坏两者之间的握手协议。

在防御步骤中，全局管理者采用交替降低与恢复被防御内核的电压与频率的机制来保证安全地防御热隐蔽信道攻击并减少由降低内核电压与频率造成的性能损失。

防御步骤说明：改变信号发送内核与接收内核两者其中一个内核的温度变化能够破坏握手协议，使得发送内核与接收内核双方始终无法完成数据传输。由于发送内核通过改变内核的工作量的高低来使得自身温度变化适应已经编码好的二进制数字串，当把发送内核维持在一个较低水平的工作电压/频率时，无论如何改变工作量高低，该内核的温度信号将不再具有原来的信号频谱，或者发生频率偏移，或者原来的信号频率对应的信号幅值变得足够低乃至接收内核无法识别出任何编码信息。通过动态调节内核的电压/频率能够阻断热信号的交流。然而维持内核的电压/频率在一个低水平会带来一定程度的性能损失，因为该内核只有少部分时间运行攻击程序，大部分时间运行正常的应用程序。因此提出了按照检测到的信号频率来调节信号发送内核的电压/频率水平的方法，即在每半个信号周期内，前90％的时间降低该内核的电压/频率水平到一个较低值，后10％的时间恢复该内核的电压/频率水平到正常情况。通过这种比例进行调节信号发送内核的电压/频率，能够确保系统安全且尽可能地减少性能损失。

下面结合附图，对本实施例提出的针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法进行说明。

如图1所示的众核系统中热隐蔽信道泄露安全信息模型图。热隐蔽信道信号发送进程运行在受到保护区域的内核A上，信号接收进程运行在非保护区域的内核B上,信号发送进程在A中将用户隐私数据编码为二进制数字串并根据二进制数字将内核A的温度高低变化，进而通过热量自发传输影响内核B的温度。热隐蔽信道接收进程根据内核B自身温度的高低变化解码得到用户的隐私数据。

图2是普通情况下内核的温度变化功率谱图，图中显示，在未收到热隐蔽信道影响的内核中，温度受到负载、散热等其他因素的影响，但是在频域上这些因素造成的温度信号表现在低频部分(小于50Hz)，只要选择合适的频段(50Hz～400Hz)，热隐蔽信道攻击可以抵抗负载、散热等其他因素的影响。

图3(a)是未采取防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度变化图，图中内核的温度周期性地高低变化，呈现出强烈的周期信号。

图3(b)是采取动态调压调频防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度变化图，图中内核的温度不再明显地发生周期性高低变化，周期信号受到抑制。

图3(c)是未采取防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度信号功率谱图，图中预设的热隐蔽信道信号传输频率为100Hz,温度信号在100Hz频率上具有很高的功率值，因此信号接收内核在100Hz频率可轻松解码出温度信号已编码的信息。

图3(d)是采取动态调压调频防御措施的热隐蔽信道信号接收内核的温度信号功率谱图，图中预设的热隐蔽信道信号传输频率为100Hz,温度信号在100Hz频率上的功率值很低，因此信号接收内核在100Hz频率难以解码出温度信号已编码的信息。

图4是系统检测与防御热隐蔽信道攻击的步骤图。

图5是未采取、采取防御措施的热隐蔽信道攻击平均情况的误码率效果对比图。热隐蔽信道攻击的能力高低通过接收到的二进制数字位的误码率来测量，误码率越低表明攻击能力越强，系统越不安全；误码率越高表明攻击能力越弱，系统安全性越高。图5中未采取防御措施时，热隐蔽信道攻击的误码率为2％，系统很不安全；采取防御措施后，误码率高达92％，系统安全性得到保障。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，其特征在于，该方法包括基于温度信号频率扫描的检测步骤与基于动态调压调频的防御步骤，

所述的温度信号检测子步骤具体如下：

其中，所述的基于动态调压调频的防御步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，其特征在于，所述的约束频率范围为50Hz～400Hz。

3.根据权利要求1所述的一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，其特征在于，所述的温度信号检测子步骤中使用具有不同中心频率但有相同带宽的多个带通滤波器过滤内核的温度信号并得到所有与中心频率对应的温度信号功率值，其中带通滤波器的带宽为4Hz，带通滤波器的中心频率选择从50Hz开始到400Hz为止，每一个中心频率对应一个待检测的信号频率，多次对温度信号滤波以扫描遍历50Hz～400Hz范围内的所有信号频率。

4.根据权利要求1所述的一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，其特征在于，所述的热隐蔽信道信号发送内核与接收内核定位子步骤中，全局管理者将最近1～100次检测阶段所有最可疑的信号发送内核的位置与信号频率记录在内存中,待到明确定位发送内核与接收内核后清除该记录。

5.根据权利要求1所述的一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，其特征在于，所述的基于动态调压调频的防御步骤中，全局管理者随机选择信号发送内核与接收内核之一作为防御对象来破坏两者之间的握手协议。

6.根据权利要求1所述的一种针对众核系统上热隐蔽信道攻击的检测与防御方法，其特征在于，所述的基于动态调压调频的防御步骤中，全局管理者采用交替降低与恢复被防御内核的电压与频率的机制来保证安全地防御热隐蔽信道攻击并减少由降低内核电压与频率造成的性能损失。