DE10310781A1

DE10310781A1 - Verfahren zum Betreiben eines Mikroprozessors und eine Mikroprozessoranordnung

Info

Publication number: DE10310781A1
Application number: DE10310781A
Authority: DE
Inventors: Berndt M. Dr. Gammel; Steffen Sonnekalb
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-30
Also published as: EP1602017A2; US20060101513A1; WO2004081971A2; WO2004081971A3

Abstract

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Betreiben eines Mikroprozessors vor, bei dem zumindest eine Programmverzweigung und/oder Programmverzögerung vorgesehen ist, die zur Modulation eines Programmablaufs Zufallsbit-gesteuert und als hardwarebasierender Befehl implementiert ist und sicherstellt, dass bei jedem Durchlauf eines bestimmten Programms eine jeweils von vorhergehenden Programmdurchläufen verschiedene Ausführungsdauer des Programms bewirkt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Mikroprozessoranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betreiben eines Mikroprozessors und eine Mikroprozessoranordnung gemäß der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 9.
Bei Programmen in Sicherheitsanwendungen, die auf einem Mikroprozessor programmiert werden, besteht generell die Möglichkeit, durch Auswertung von Befehlsfolgen geheime Informationen, wie beispielsweise Schlüssel, auszuspähen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten derartige Schaltungen für Sicherheitsanwendungen anzugreifen. Bei sogenannten "Side-Channel-Attacks" wird beispielsweise die Stromaufnahme oder die elektromagnetische Emission der Schaltung erfaßt, wenn ein bestimmter Vorgang in der Schaltung abläuft. Aus dem zeitlichen Verlauf, insbesondere dem zeitlichen Bezug der Stromaufnahme oder der elektromagnetischen Emission kann beispielsweise auf den verwendeten Schlüssel geschlossen werden.
Differential Power Analysis (DPA) ist ein bekanntes Angriffsszenario für Sicherheits-CPUs. Bei einem solchen Angriff wird eine Folge von Befehlen eines Programms und deren Auswirkungen in der Schaltung mittels statistischer Auswertungen der Kennlinien des Stromverbrauchs ermittelt. Aus diesen Auswertungen lassen sich detaillierte Rückschlüsse über das ausgeführte Programm gewinnen. Das Erfassen der elektromagnetischen Emission ist unter der Bezeichnung DEMA ("Differential Electro-Magnetic Analysis") bekannt.
Programme weisen immer mehrere Programm- bzw. Codesequenzen auf, die unabhängig voneinander sind und deren Reihenfolge in der Abarbeitung vertauschbar ist. Zum Schutz gegen oben genannte Art von Angriffen wurde bisher der Programmablauf softwaremäßig zufallsgesteuert verändert. Hierbei wurden beispielsweise Befehlsfolgen durch Permutation vertauscht, redundante Befehlsfolgen eingefügt oder mehrere verschiedene Codesequenzen, die zum gleichen Ergebnis führen, eingeführt. Dies erfordert jedoch den Einsatz eines Zufallsgenerators, der nicht bestimmbare Zufallsbits generiert, die an entsprechenden Verzweigungspunkten innerhalb des Programms softwaremäßig ausgewertet werden, um beispielsweise bei einem Sprung-Befehl in die entsprechende Codesequenz zu verzweigen.
Ein weiteres Verfahren zum Schutz gegen diese Art von Angriffen ist eine zufallsgesteuerte Programmverzögerung, bei der Dummy-Codesequenzen, deren Ausführungsdauer mit Hilfe eines Zufallsgenerators bestimmt wird, in den laufenden Programmcode eingefügt werden.
Ein aus der veröffentlichten WO/9963419 bekanntes Verfahren beschreibt die Ansteuerung eines "Wait-State-Anschlusses" einer Schaltung durch einen Zufallsgenerator, wobei in Abhängigkeit der durch den Zufallsgenerator erzeugten Zahl der Betrieb der Schaltung angehalten oder wieder aufgenommen wird und dadurch einheitliche Verarbeitungszyklen unterbunden werden.
Nachteilig bei den oben genannten Verfahren ist es, daß die Programmgröße zunimmt, die Laufzeit des Programms verlängert wird, die Performance sinkt und ein erhöhter Stromverbrauch zu verzeichnen ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Mikroprozessors bzw. eine Mikroprozessoranordnung vorzusehen, mit denen eine ausreichende Sicherheit bei minimalem Programmaufwand gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Mikroprozessoranordnung gelöst, bei denen zumindest eine Programmver zweigung und/oder Programmverzögerung vorgesehen ist, die zur Modulation eines Programmablaufs Zufallsbit-gesteuert und als hardwarebasierender Befehl implementiert ist.
Da der Programmablauf durch die Reihenfolge der Befehle und deren bei der Ausführung benötigte Laufzeit bestimmt ist, wird die Modulation eines Programmablaufs in vorteilhafter Weise dadurch gesteuert, daß beispielsweise ein über einen Pseudo-Zufallsgenerator zufällig erzeugtes Bit mit einem erzeugten nicht bestimmbaren Bit eines echten physikalischen Zufallsgenerators zu einem Zufallsbit verknüpft wird, welches von den hardwarebasierenden Befehlen des Mikroprozessors genutzt wird, um zufällig Programmverzweigungen und/oder Programmverzögerungen auszuführen.
In vorteilhafter Weise werden Befehle eingeführt, die eine variable Ausführungszeit aufweisen, indem die Laufzeit der Befehle über die den Befehlen zugeordnete Parameter, die beispielsweise Operationszyklen angeben, zufällig verändert werden. Es können ebenso Befehle in den Programmablauf eingefügt werden, die eine Leer-Operation ausführen und keinen Einfluß auf das Ergebnis einer Codesequenz haben.
Zufallsgesteuerte Programmverzweigungen werden in vorteilhafter Weise durch Sprung-Befehle mit mindestens einem Sprungziel realisiert. Der Sprung wird dabei in Abhängigkeit des wertes eines Zufallsbits durchgeführt oder nicht durchgeführt. Bei einem Sprungbefehl mit mindestens zwei Sprungzielen, mit unter den Zieladressen unabhängig voneinander abzuarbeitenden Codesequenzen, kann Zufallsbit-gesteuert die Reihenfolge der abzuarbeitenden Codesequenzen variiert werden. Die Zieladressen müssen nicht zwingend alle abgearbeitet werden, wenn sie das gleiche Ergebnis erzielen. Weisen diese Codesequenzen beispielsweise unterschiedliche Laufzeitprofile auf, ist das Zeitverhalten zur Erzielung eines Ergebnisses bei einem erneuten Programmdurchlauf nicht bestimmbar, so daß die vorab beschriebenen Angriffsmethoden keine verwertbaren Informationen erzielen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Im nachfolgenden ersten Ausführungsbeispiel wird ein Sprungbefehl ("jumble") implementiert, wobei der Sprungbefehl ein Sprungziel spezifiziert:
In Abhängigkeit des Wertes des Zufallsbits wird der Sprung ausgeführt oder nicht ausgeführt. Ist beispielsweise das Zufallsbit gesetzt, weist also den Wert "1" auf, wird die Sprung-Operation zu Adresse "adress1" ausgeführt, wo die Codesequenz 2 abgearbeitet wird und anschließend unter der Adresse "adress2" die gemeinsame Codesequenz "common code sequence" bearbeitet wird. Die Codesequenz 1 kann hier eine Dummy-Operation beinhalten, die keinen Einfluß auf das Ergebnis hat. Für den Fall, daß das Zufallsbit nicht gesetzt ist, also den Wert "0" aufweist, wird der Sprung zu Adresse "adress1" nicht ausgeführt, sondern der Programmablauf linear mit der Codesequenz "code sequence 1" und anschließendem Sprung zu Adresse "adress2" fortgesetzt.
Im nächsten Ausführungsbeispiel ist ein Sprungbefehl ("jumble") implementiert, wobei der Sprungbefehl in drei Sprungziele verzweigt: Jumble <addr1>,<addr2>,<addr3>

addr1: code sequence 1 goto addr 4

addr2: code sequence 2 goto addr 4

addr3: code sequence 3 goto addr 4

addr4: common code sequence
Die Reihenfolge der Abarbeitung der Codesequenzen "code sequence 1, Code sequence 2 und Code sequence 3" unter den Adressen "addr1, addr2 und addr3" der Sprungziele kann vertauscht werden, da sie funktionell nicht voneinander abhängig sind. Die vom zu erzielenden Ergebnis gleichwertigen Codesequenzen müssen nicht zwingend alle abgearbeitet werden, so daß Zufallsbit-gesteuert eine Adresse angesprungen werden kann, unter der die entsprechende Codesequenz abgearbeitet wird und anschließend unter der Adresse "adress4" der Programmablauf fortgesetzt wird. Dadurch, daß die Codesequenzen unterschiedliche Laufzeitverhalten aufweisen und bei jedem erneuten Programmdurchlauf an eine andere Adresse gesprungen wird, ist eine Analyse der durch Abhörverfahren gewonnenen Daten nicht möglich. Auch die Zufallsbit-gesteuerte Reihenfolge bei einer notwendigen Abarbeitung aller Codesequenzen liefert keine verwertbaren Daten.
Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt einen Sprungbefehl mit zwei möglichen Sprungzielen, der als Call-Befehl "jumblecall" implementiert ist und durch einen Sprung einen Kontextwechsel realisiert:
Zufallsbit-gesteuert kann in diesem Beispiel der Befehl entweder zu einem oder zu beiden Sprungzielen ausgeführt werden. Um nach Abarbeitung einer Codesequenz das Unterprogramm zu verlassen, wird ein Befehl "return" ausgeführt, der den vorherigen Kontext wieder herstellt.
Das folgenden Ausführungsbeispiel zeigen einen Befehl, der einen Leer-Operation "jumplenop" ausführt:
Die Zufallsbit-gesteuerten Parameter <n> und <m> spezifizieren hier die Ober- und Untergrenze möglicher Operationszyklen, so daß eine variable Lauflänge des Befehls erzielt wird. Zur Erzielung einer variablen Ausführungszeit eines Befehls, wobei die Parameter einem beliebigen Befehl zugeordnet werden können, könnte auch lediglich ein Parameter als Obergrenze angegeben werden. Weisen die Parameter den Wert "0" auf, so wird der Befehl in einem optimalen Zeitraum durchgeführt. Weisen die Parameter einen von "0" verschiedenen Wert auf, werden bis zu <n> oder <m> Takte benötigt, um diesen Befehl auszuführen.
Der Befehl "jumpleadd" des nachfolgenden Ausführungsbeispiels ist ebenso für alle Befehle anwendbar:
Mit Hilfe dieses Befehls wird die Ausführungszeit ebenfalls zufällig verlängert.
Generell müssen die die Laufzeit eines Befehls bestimmenden Parameter nicht zwingend für jeden einzelnen Befehl spezifiziert werden. Diese Parameter können in einem Konfigurationsregister hinterlegt werden, auf das über beispielsweise einen Konfigurationsbefehl "jumple_config <op1> <op2> zugegriffen wird.
Das vorab beschriebene Verfahren bezieht sich nicht nur auf die ausgeführten Beispiele. Sie sollen vielmehr verdeutlichen, daß Programmverzögerungen und Programmverzweigungen zur Modulation eines Programmablaufs in beliebiger Variation implementiert werden können.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Mikroprozessors, gekennzeichnet durch das Vorsehen von zumindest einer Programmverzweigung und/oder Programmverzögerung, die zur Modulation eines Programmablaufs Zufallsbit-gesteuert und als hardwarebasierender Befehl implementiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmverzögerung mittels hardwarebasierender Befehle mit zufällig variierender Laufzeit erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zufällig variierende Laufzeit durch den Befehlen zugeordneten Zufallsbit-gesteuerten Parameter, die die Laufzeit eines Befehls festlegen, bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Laufzeit bestimmenden Parameter der Befehle durch ein dem Mikroprozessor zugeordnetes Konfigurationsregister fest vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmverzweigung mittels eines hardwarebasierenden Sprung-Befehls mit einem Sprungziel erzielt wird und daß das Zufallsbit bestimmt, ob ein Sprung ausgeführt wird oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmverzweigung mittels eines hardwarebasierenden Sprung-Befehls mit zumindest zwei Sprungzielen erzielt wird und daß das Zufallsbit bestimmt, in welcher Reihenfolge die Sprungziele angesprungen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprungziele willkürlich zum Zeitpunkt der Ausführung des Sprung-Befehls bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallsbit-gesteuerte Programmverzweigung und/oder Programmverzögerung sicherstellt, dass bei jedem Durchlauf eines bestimmten Programms eine jeweils von vorhergehenden Programmdurchläufen verschiedene Ausführungsdauer des Programms bewirkt wird.
Mikroprozessoranordnung, gekennzeichnet durch zumindest einen hardwarebasierenden Befehl, der eine Zufallsbit-gesteuerte Programmverzweigung und/oder Programmverzögerung zur Modulation eines Programmablaufs bewirkt.