安全芯片旁路功耗分析及抗攻击措施

摘要

在信息的价值越来越被人们重视的情况下，信息安全已经成为了业界讨论的热点话题。随着攻击技术的不断发展，安全系统的解决方案逐渐从软件向硬件尤其是集成电路转移。其原因在于硬件相比于软件拥有更加高的安全级别。然而，随着测量技术和分析技术的不断进步，出现了许多破解加密集成电路的攻击方法。旁路攻击方法就是这些方法中比较有代表性和威胁性较大的一种。 本文以针对信息安全芯片的旁路功耗攻击为研究对象，分析出攻击的根源来自与电路内部逻辑表示的不平衡，导致了功耗与内部电路的翻转以及电平的相关性。文章着重分析了简单功耗分析和差分功耗分析，找到了这两种攻击的立足点，为抗攻击措施提供了依据。为了使得所研究内容有切实可靠的实验数据作为保障，文章介绍了课题中设计的旁路功耗分析测试平台，较为详细地描述了平台的各个主要模块。此后，文章从两个层面提出了抗攻击措施：1）算法级抗攻击方案以及2）电路级抗攻击方案。其中算法级抗攻击方案针对现今使用最为广泛的三种加密算法（RSA、AES以及DES）提出了抗攻击措施。针对RSA公钥加密，本文以现有的一个较为完善的抗攻击方法MIST作为基础，分析了该算法在RSA模约减运算中的漏洞，提出了随机化的模约减算法，弥补了原有方案的不足，提高了RSA IP的安全性；针对AES和DES对称钥加密，本文提出的对加密数据和密钥扩展都进行Masking掩盖的想法，并在面积和性能之间寻找到了一个平衡。在电路级抗攻击方案上，文章分析了现有的三种电路级抗攻击措施，通过理论的证明，发现这三种电路仍然存在功耗的泄漏。相应的，本文提出了自行设计的电路DRSL，解决了输入不同步的问题，减少了功耗泄漏。