《电子技术应用》
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面向密码芯片设计阶段的仿真侧信道安全性分析方法研究
电子技术应用
沈炜,刘诗宇,杨光,李东方
中国航天科工集团第二研究院706所
摘要: 密码芯片是密码算法实现的重要载体,在信息系统中承担了加解密、签名、认证等功能,侧信道分析是检测密码芯片安全性的重要手段,当前行业内通常采用专用设备进行侧信道分析,该方法存在发现时间晚、修复成本高、硬件设备昂贵等问题。研究面向密码芯片设计阶段的能量采集与侧信道分析方法,采用EDA工具在设计阶段对密码芯片的RTL代码进行功能仿真,通过分析仿真生成的波形记录文件,实现对能量迹的模拟和采集。采用Welch t检验、KL散度和相关能量分析方法,实现了对芯片RTL代码的泄漏检测、泄漏定位和侧信道攻击。通过对AES-128 RTL设计的仿真实验,证明了该方法能够正确地反映能量泄漏情况,且能够在不借助专用硬件设备的条件下实现对密码芯片早期设计阶段的侧信道泄漏安全风险检测。
中图分类号:TP311.5 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245035
中文引用格式: 沈炜,刘诗宇,杨光,等. 面向密码芯片设计阶段的仿真侧信道安全性分析方法研究[J]. 电子技术应用,2024,50(10):98-104.
英文引用格式: Shen Wei,Liu Shiyu,Yang Guang,et al. Research on side channel security analysis technology of cryptographic chip based on simulation[J]. Application of Electronic Technique,2024,50(10):98-104.
Research on side channel security analysis technology of cryptographic chip based on simulation
Shen Wei,Liu Shiyu,Yang Guang,Li Dongfang
Institute 706, Second Academy of CASIC
Abstract: Cryptographic chip is an important carrier for cryptographic algorithms, which implements functions such as encryption, decryption, signature, and authentication of information system. Side channel analysis is an important method to verify the security of cryptographic chips. In the current industry, post-silicon side channel analysis with special equipment is a common method, which is too late and expensive in making any changes to the design to solve the leakage issue. This paper proposes a simulation-based power trace acquisition and side channel analysis method. EDA tools are used to perform functional simulation on the RTL code of the cryptographic chip during the design phase, and we collect the simulated power trace by analyzing the waveform record file. By using Welch t test, KL divergence and correlation energy analysis, leakage can be located in time and space dimensions. Through the side channel analysis experiment on AES-128 RTL design, we proved that the method proposed in this paper can correctly reflect the power leakage, which can detect the side channel leakage risk in the early stage of the cryptographic chip design without the help of special hardware equipment.
Key words : cryptographic chip;power consumption simulation;leakage detection;power side channel attack

引言

密码芯片是保障网络与通信设备数据传输和交换安全性的重要部件,其安全性至关重要。芯片在运行过程中,其逻辑门的变化在物理上体现为电流的变化,从而引起能量消耗。如果芯片自身安全机制不足或未做泄漏防护,芯片在处理敏感信息时产生的能量将与敏感信息之间产生隐通道,如被攻击者加以利用,可能造成数据泄漏,对系统的安全性产生极大的威胁。

目前针对上述问题的典型测试方法是在芯片设计完成后,采用专用硬件设备搭建侧信道分析平台,对芯片实物开展能量侧信道安全性分析。该方法主要存在以下问题:一是硬件设备成本较高,当前测试方法分析过程的精确性依赖于专业侧信道采集设备,此类设备价格昂贵;二是搭建分析平台难度大、时间长,测试人员需要花费大量时间和精力设计和调试侧信道采集板卡,测试周期难以保证;三是发现问题较晚、修复成本高,现有的硅后测试方法不仅发现问题阶段较晚,而且修改后需重新流片,修复成本较高。

针对上述问题,目前已经有研究提出了针对芯片晶体管级、门级、RTL级的仿真侧信道分析方法。文献[1]提出了在晶体管级进行基于汉明差的差分功耗分析方法,但分析时间需要数天,时间开销较大。文献[2]结合Primetime PX工具构建了门级的侧信道分析框架。文献[3]通过分析SAIF文件,实现对RTL级的侧信道分析,但SAIF文件一般只适用于Synopsys工具,通用性不强。

本文提出了一种基于功能仿真的密码芯片侧信道分析方法,该方法在密码芯片早期的RTL设计阶段,通过功能仿真的手段生成仿真能量迹,实现待测芯片设计进行侧信道攻击与泄漏评估。相比于硅后的侧信道分析方法,本文提出的方法不仅不需要专用的硬件设备,而且可以在设计阶段实现模块级的泄漏检测、定位和侧信道攻击。


本文详细内容请下载:

//www.chd2016240209.com/resource/share/2000006186


作者信息:

沈炜,刘诗宇,杨光,李东方

(中国航天科工集团第二研究院706所,北京 100854)


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