CN112685800A - 一种基于时间窗自比较的硬件木马检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间窗自比较的硬件木马检测方法,该方法主要包含三个部分:对待测电路时间窗区间电流数据叠加自比较,对选取电流结果进行数据后处理以及无金模型检测方法的实现。基于时间窗自比较的检测方法,其原理是利用了不同芯片之间工艺角不同,但同一块芯片工艺角相同的特点,通过选取同一块芯片的瞬态电流在相同电路状态下,不同时间窗区间的电流数值进行比较分析,可以有效克服工艺波动的影响。另外,本发明还利用马氏距离的优点将时间窗电流结果通过马氏距离进行数据后处理,增加硬件木马对电路旁路参数影响的区分度,进一步提高木马检测灵敏度。最后,本发明可以在没有金模型基准电路作参考的情况下实现木马检测,解决木马检测过程中对金模型参考电路过于依赖的问题,提高了木马检测效率。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于时间窗自比较的硬件木马检测方法,通过选取相同芯片瞬态电流在相同电路状态、不同时间窗区间的电流数值进行比较分析,实现硬件木马检测。该方法既可以有效克服工艺波动的影响,又可以在没有金模型基准电路作参考的情况下实现木马检测。
背景技术
随着集成电路产业的高速发展,为了满足快的上市时间和低的成本要求,越来越多的半导体设计公司采用第三方的IP和交付给代工厂进行生产。在电路的设计或者制造过程中,第三方代工厂有可能对原始电路进行恶意篡改,这些被恶意篡改的电路称之为硬件木马。在满足某些特定的条件下,硬件木马可能会引起电路失效,降低芯片的可靠性,也可能泄露芯片内部的敏感信息如密钥等,更有甚者会直接摧毁整块芯片。
硬件木马的检测方法通常分为三种:
基于反向工程的木马检测方法,通过移除芯片封装并逐层剥离芯片,检查和分析芯片内部结构以提取原理图,以此检测电路中有无异常木马模块,基于反向工程的物理解剖法,虽然能准确定位木马的位置,但是随着工艺水平的提高,其检测方法需要耗费大量的时间和成本。
基于逻辑测试的木马检测方法,通过对电路的逻辑功能进行穷举测试,达到使电路中罕见节点激活跳变的目的,提高电路的检测覆盖率,从而实现木马检测。逻辑测试的方法,虽然不会受到电路工艺参数的影响,但是随着电路规模的扩大,想要通过穷举的激励输入,保证理论上使所有罕见节点跳变的难度越来越高。
基于旁路分析的硬件木马检测方法,通过对待测芯片的电流、延迟、电磁信号和版图的水印等其中的一种或多种旁路参数进行木马检测,其检测原理是插入电路的木马模块由于与电路具有不相关性,会影响电路的旁路参数。文献[3]介绍了一种基于测量对称路径延迟,通过电路延迟信息对比实现木马检测的方法。文献[4]介绍了一种使用基于电磁频谱建模和分析的方法,将电路生成的频谱模型作为参考基准用来检测木马。
旁路分析的检测方法越来越成为主流,同其他的检测方法相比,具有较好的检测效果、较高的检测精度和较低的检测代价。针对时序触发型硬件木马,需要经过一系列的稀有状态才会被触发,常规的逻辑测试方法难以对木马进行有效激活,而旁路分析的木马检测方法具有较好的效果,因为该方法不需要激活木马就可以实现木马的检测。而旁路分析方法的缺点在于容易受到工艺波动的影响,工艺尺寸越小,工艺波动对结果的影响越大,另外该方法检测过程中需要用无木马的金模型基准芯片作参考,但是在实际检测过程中,获取用来参考的金模型基准芯片成本很高。
发明内容
本发明的技术目的是:
在木马检测过程中,提出一种基于时间窗自比较的硬件木马检测方法,以解决旁路分析容易受到工艺波动影响的问题,提高木马检测灵敏度,另外本方法还可以解决木马检测过程中对金模型基准电路过于依赖的问题。
本发明实现的技术方案:
使用本发明检测方法的与传统方法的区别如图1所示。常规的旁路分析方法是通过对不同的电路(待测电路与无木马的金模型基准参考电路)测量的结果进行对比,实现硬件木马检测,这种检测方法的灵敏度易受工艺波动的影响,随着工艺尺寸的减小,工艺波动对于电路的影响越来越大,小规模木马电路对于电路旁路参数的影响很容易被工艺波动的影响覆盖掉。
基于自比较的检测方法,是利用了不同芯片之间工艺角不同,但同一块芯片工艺角相同的特点,通过待测电路自己测量结果在相同电路状态、不同时间窗区间下的瞬态电流数值进行叠加比较,可以消除掉工艺波动的影响,提高木马检测灵敏度。
时间窗的选取原理可以参考图2的电路状态循环图,在相同的激励条件下,无木马的电路状态机FSM会进行正常状态循环跳转,而在插入木马的电路状态变化过程中,由于木马会与原电路的元件表现出差异性,进而影响到电路的状态循环,进入到受木马影响的新的电路状态中,即使在相同的电路状态循环中,也会表现出差异性,从而影响电路的电流参数。可以通过对待测电路进行功能仿真的方式,确定电路的状态循环周期,这个状态循环周期的范围,就是待测电路选取的时间窗区间。
通过马氏距离对电流进行后处理的方法如图4所示,将无木马电路不同时间窗区间下选取的瞬态电流仿真结果进行对比,可以确定出电路正常工作时最大电流与最小电流的偏差值,然后通过Matlab工具进行马氏距离数据后处理,确定出无木马电路的马氏距离偏差范围,通过多组数据多次对比,可以使偏差的范围结果获取的更加精确。
本方法可以在没有金模型基准电路作参考的情况下实现木马检测,其原理是根据选取的制造工艺以及电路的交直流参数,通过对无木马电路进行高斯随机噪声仿真实验,可以确定无木马电路的电流以及马氏距离处理结果的变化范围,从而得到阈值参数范围(仿真次数越多,通过对测量结果估算后统计出来的测量噪声范围越精准)。当待测电路的电流参数以及马氏距离偏差值超过阈值参数范围时,即可认定为电路中插入木马电路。
相比于常见的旁路分析检测方法,本发明有以下优点:
1.克服工艺波动造成的影响
通过同一芯片测量瞬态电流在不同时间窗区间数值进行横向叠加比较,可以消除掉工艺波动的影响,实现木马检测灵敏度的提高。
2.通过数据后处理的方法,增加木马模块区分度
利用马氏距离数据处理数据集的优点,能够更好的区分待测样本集之间距离,增加硬件木马对电路旁路参数影响的区分度,进一步提高木马检测的灵敏度。
3.在无金模型基准电路的情况下实现木马检测
常规的旁路测试方法中,每次检测都需要无木马的金模型电路作为对照组从而获取参考阈值,然而金模型电路的获取非常困难,甚至都无法保证能够获得完全可信的无木马的金模型电路。本方法可以解决木马检测过程中对金模型参考电路过于依赖的问题。
附图说明
图1时间窗自比较检测方法的与传统方法的对比模型图
图2无木马电路和插入木马电路的状态循环图
图3硬件木马检测平台
图4木马检测过程中马氏距离后处理方法流程图
图5本发明实例中所使用的木马电路
图6本发明实例中无木马金模型电路瞬态电流仿真结果
图7本发明实例中插入木马电路的瞬态电流仿真结果及数据后处理结果
图8本发明实例中插入木马电路的电流数据马氏距离后处理结果
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明所提供的基于时间窗自比较的硬件木马检测方法,但不构成对本发明的限制。
该方法主要涵盖三大部分,确定待测电路时间窗区间进行仿真获取电流结果,对选取电流结果进行数据后处理以及无金模型检测方法的实现。具体实现步骤如下:
第一部分:确定待测电路时间窗区间进行仿真获取电流结果
步骤1:将RTL级电路描述文件进行逻辑综合,综合选取中芯国际(SMIC)180nm的工艺库文件进行综合。根据电路描述文件以及电路进行前仿真以及功能仿真,不断调整优化测试向量,找到可以实现电路正常功能的测试向量,用作仿真平台的测试激励。
由于无木马电路在相同的测试向量下,电路状态呈现出周期循环,所以在仿真时施加重复循环的测试向量组,相同的测试向量下的电路状态相同,其对应的电流测试结果也会相同。结合电路状态循环周期,确定时间窗选取区间,实例中选取电路的时间窗周期为16个时钟周期。
步骤2:准备实验所需的木马电路作为待测电路,将图5所示的时序硬件木马电路插入电路中,通过相同的测试向量,对电路进行功能仿真检查电路功能是否正确,木马功能是否实现。功能仿真确定木马模块实现后,对电路进行逻辑综合,检查电路时序以及面积是否满足要求。
步骤3:搭建硬件木马仿真平台,仿真平台内部结构如图3所示,综合完成后将综合后的门级网表文件,用Calibre的v2lvs工具转化成HSPICE和HSIM仿真工具能够识别的.sp文件,引入smic18.cdl工艺库文件并输入测试激励进行仿真。
步骤4:仿真工具选取HSPICE和HSIM两种仿真工具进行仿真,对于规模比较小的电路,选用HSPICE仿真,可以获得较高的仿真精度,而对于HSPICE无法仿真的大规模的电路,因为HSIM仿真工具可以容纳大规模的电路进行仿真,在保持一定仿真精度的情况下实现快速仿真,所以选用HSIM仿真软件。
步骤5:对无木马和有木马的电路分别进行瞬态仿真,根据电路规模选取仿真工具以及确定仿真参数。
第二部分:对选取电流结果进行数据后处理
步骤6:将仿真结果导入MATLAB进行数据分析,由于木马电路的插入,会对电路的动态电流产生影响,本发明选取时间窗区间内瞬态电流仿真的峰值结果作为样本点进行处理。
步骤7:为了减少测量噪声引起的误差,MATLAB数据处理时,通过选取多组电流信号签名时间窗叠加来降低测量误差的影响,实例中选取了15组时间窗电流数据进行叠加对比。
步骤8:对叠加的电流结果进行计算分析,如图6所示,无木马电路15组时间窗电流结果叠加后,结果基本完全重合,而图7中由于木马模块与原电路的差异性,不同时间窗瞬态电流结果表现出了差异,从而验证了木马对于电路电流影响的假设。
步骤9:虽然可以观察到叠加的时间窗的电流数据出现偏差,但由于木马占电路规模较小,木马对于电路的电流最大值和最小值的影响区分度并不是很大,为了提高数据的区分度,将时间窗电流结果通过马氏距离进行数据后处理。
马氏距离的样本x和样本集m×n矩阵之间的马氏距离可以表示为:
其中μ为样本均值,∑为协方差矩阵,通过Matlab工具,对电路数据计算样本均值及协方差矩阵,进行马氏距离后处理,处理后的结果如图8所示,马氏距离最大最小值区分度明显提高。
第三部分:无金模型检测方法的实现
基于时间窗自比较的木马检测方法还可以在没有基准芯片作参考的情况下进行木马检测,从而减少对于无木马基准芯片的依赖。
步骤10:在现实测量过程中,当在温度以及其他一些测量环境参数确定情况下,测量噪声是一个相对常量,可通过多次仿真进行校准和估算。对于时间窗自比较的检测方法,其方法本身可以克服工艺波动的影响,当环境因素确定后,估算出测量噪声的影响阈值范围就可以用来作为参考阈值,对于其它待测电路可以直接进行测量而不再依赖金模型基准芯片作为参考,从而实现了木马的无金模型检测。
本发明公开了一种基于时间窗自比较的旁路分析硬件木马检测方法,通过选取相同芯片瞬态电流在不同时间窗区间的电流数值进行比较分析,可以有效克服工艺波动的影响,是一种更高检测灵敏度的旁路分析检测方法,另外该方法可以在没有金模型基准电路作参考的情况下实现木马检测。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (7)
1.一种基于时间窗的自比较硬件木马检测方法,包括对于电路瞬态电流的分析和对电流数据的进一步数据后处理,其特征在于:
通过选取相同电路的瞬态电流在不同时间窗下数值进行叠加分析,从而减少工艺波动的影响,提高木马检测的灵敏度。首先,根据电路功能确定选取的时间窗区间范围,然后通过搭建的硬件木马仿真平台进行电路仿真,对待测电路施加一段重复循环的测试向量,最后将仿真结果通过马氏距离进行数据后处理,从而进一步区分木马对电路的影响。
通过对于无木马电路的仿真结果进行统计分析,确定瞬态电流仿真结果的最大阈值范围,在没有金模型参考电路的条件下,实现无金模型木马检测。
2.根据权利要求1所述的瞬态电流结果时间窗区间确定方法,其特征在于:
在相同的激励条件下,无木马的电路状态机FSM会进行正常状态循环跳转,而有木马电路的状态变化过程中,木马会与原电路的元件表现出差异性,进而影响到电路的状态循环,进入到受木马影响的新的电路状态中,即使在相同的状态循环中,也会表现出差异性,从而影响电路的电流参数。1)对于RTL级待测电路,通过对待测电路进行功能仿真的方式,可以确定电路的状态循环周期,这个状态循环周期的范围,就是待测电路选取的时间窗区间。2)对于硅后状态的待测电路,可以根据其电路相应描述文件以及对应的瞬态电流测试结果进行电路状态循环周期的确定。
3.根据权利要求1所述的自比较的检测方法,其特征在于:
常规的旁路分析方法是通过对不同的电路(待测电路与无木马的金模型基准参考电路)测量的结果进行对比,对木马进行检测,检测的灵敏度易受工艺波动的影响。而自比较的检测方法,是通过待测电路自己测量结果的不同时间区间数值进行比较,通过不同时间结果的叠加比较,可以消除掉工艺波动的影响,实现木马检测灵敏度的提高。
4.根据权利要求1所述的测试向量选取,其特征在于:
根据电路功能仿真结果,不断调整优化测试向量,找到可以实现电路功能的测试向量,用作仿真平台的测试激励。由于无木马电路在相同的测试向量下,电路状态呈现出周期循环,所以在仿真时施加重复循环的测试向量组,相同的测试向量下的电路状态,其对应的电流测试结果会基本相同。
5.根据权利要求1所述的硬件木马仿真平台,其特征在于:
该平台在PC机上完成,所使用的工艺库为SMIC 65nm和SMIC 180nm CMOS工艺库。仿真时,可根据电路规模选取适合的仿真软件,对于规模较小电路可用Hspice仿真工具,实现仿真的高精度,而对于电路规模较大的电路,需要用到Hsim进行仿真,在确保一定仿真精度的同时大幅提高仿真速度。
6.根据权利要求1所述的马氏距离数据后处理,其特征在于:
马氏距离可以用来度量待测数据的协方差距离。马氏距离有很多优点:1)不受量纲的影响,两点之间的马氏距离与原始电路的测量单位无关;2)由标准化数据和中心化数据(即原始数据与均值之差)计算出的两点之间的马氏距离相同;3)可以排除变量之间相关性的干扰。通过马氏距离可以很方便的度量待测样本集之间的距离,很适合用于硬件木马的检测。对电路测量数据进行马氏距离的数据后处理,可以进一步提升木马检测的灵敏度。
7.根据权利要求1所述的无金模型木马检测,其特征在于:
根据选取的制造工艺以及电路的交直流参数,通过对无木马电路进行高斯随机噪声仿真实验,确定无木马电路的电流以及马氏距离处理结果的变化范围,从而得到阈值参数范围,仿真次数越多,通过对测量结果估算后统计出来的测量噪声范围越精准。当待测电路的电流参数以及马氏距离偏差值超过阈值参数范围时,即可认定为电路中插入木马电路。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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