利用FPGA加密芯片的抗DPA攻擊電路設(shè)計(jì)

0 引言

    近年來，現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)由于其高性能、低價(jià)格、高開發(fā)速度、方便的編程方式等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)FPGA進(jìn)行DPA(Differential Power Analysis，差分功耗分析)攻擊已經(jīng)成為FPGA應(yīng)用中信息安全的主要威脅之一，受到了廣泛的關(guān)注。
    DPA是SCA(Side Channel Attacks，旁路攻擊)技術(shù)的一種，其攻擊思想為：以電路的功耗特性為基礎(chǔ)，利用功耗與內(nèi)部密鑰的關(guān)系，將大量采樣到的包含該內(nèi)部密鑰運(yùn)算的功耗波形數(shù)據(jù)根據(jù)所猜測的密鑰進(jìn)行劃分，使得所劃分的兩部分具有不同的功耗特性。最后，對(duì)兩部分的功耗數(shù)據(jù)相減得到功耗差分曲線，如果猜測正確，差分曲線將出現(xiàn)明顯的尖峰。

  本文將應(yīng)用FPGA的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合目前常用的抗DPA攻擊的電路級(jí)防護(hù)技術(shù)，深入研究與分析在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)針對(duì)DPA攻擊的電路級(jí)防護(hù)技術(shù)。

1 FPGA上的電路防護(hù)技術(shù)

1．1 FPGA的底層結(jié)構(gòu)
    FPGA的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。FPGA內(nèi)部最主要的、設(shè)計(jì)工程中最需關(guān)注的部件是CLB(Configurable Logic Block，可配置邏輯塊)，IOB(Input／Output Block，輸入／輸出塊)，Block RAM(塊RAM)、DCM(Digital Clock Manager，數(shù)字時(shí)鐘管理器)和Multiplier(乘法器)。其中CLB是FPGA具有可編程能力的主要承擔(dān)者，Virtex-5的一個(gè)slice的主要組成單元包括4個(gè)6輸入查找表、4個(gè)觸發(fā)器和若干個(gè)選擇器。

1．2 雙軌電路技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

    雙軌電路技術(shù)是指無論是輸入還是輸出都是用兩根線來表示的。由圖2可見，在SDDL與門中，信號(hào)A就由A和共同表示，而輸出Z也由Z和表示。在這種表示下，一個(gè)變量可以有4種不同的邏輯值(0，0)，(0，1)，(1，0)以及(1，1)。SDDL將(0，1)和(1，0)分別用來表示邏輯0和邏輯1。這樣電路內(nèi)部的邏輯0和邏輯1就變成了對(duì)稱的，從而使得各自的功耗相同。另外，邏輯門還引入了一個(gè)prch預(yù)充電信號(hào)。在prch有效的情況下，輸出是(O，0)，這個(gè)值也就是變量為預(yù)充電時(shí)在電路中的表示方式。電路的工作分為兩個(gè)狀態(tài)：運(yùn)算狀態(tài)和預(yù)充電狀態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)交替更換，也就是在prch上加載一個(gè)固定周期的脈沖。如此一來，電路中變量值的變化就是(0，O)到(O，1)或(1，O)，或者是(0，1)或(1，0)到(O，0)，每次翻轉(zhuǎn)都是只有一根信號(hào)線進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。邏輯O和邏輯1達(dá)到了完全的平衡。[!--empirenews.page--]

1．3 預(yù)充電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

    普通邏輯門不能提供持續(xù)轉(zhuǎn)換活動(dòng)，邏輯門的輸入不變將導(dǎo)致門的數(shù)據(jù)獨(dú)立。解決這個(gè)問題要通過增加預(yù)充電電路來提供變換。當(dāng)時(shí)鐘為高時(shí)，連接預(yù)充電電路輸入一個(gè)預(yù)充電相位，連接點(diǎn)變化到邏輯O；當(dāng)時(shí)鐘為低時(shí)，電路輸入計(jì)算相位，實(shí)際計(jì)算完成。在FPGA上采用預(yù)充電邏輯的目的是要求在預(yù)充電相位期間slice的輸出必須是邏輯O，有兩種方式來完成。在一個(gè)Xilinx的slice中，每個(gè)LUT后跟著專門的多路選擇器和內(nèi)存單元，可配置為寄存器或鎖存器。這里考慮使用多路復(fù)用器和內(nèi)存單元來實(shí)現(xiàn)預(yù)充電，每種方法各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：
    (1)使用時(shí)鐘控制的多路復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)預(yù)充電功能。將每個(gè)片子中單獨(dú)的內(nèi)存單元作為寄存器，但是除了寄存器的普通時(shí)鐘還要分配一個(gè)反向時(shí)鐘。這種方法的缺點(diǎn)是復(fù)制一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)并生成直接和互補(bǔ)信號(hào)將明顯增加功耗和電路面積，布線也將復(fù)雜化。
    (2)使用內(nèi)存單元作為帶有反向使能輸入的異步清零鎖存器來實(shí)現(xiàn)預(yù)充電功能。只需要一個(gè)單獨(dú)信號(hào)給寄存器和預(yù)充電鎖存器，預(yù)充電功能由連接反向使能輸入和鎖存器的清零輸入實(shí)現(xiàn)，使用這種方法的缺點(diǎn)是專門設(shè)計(jì)的寄存器存儲(chǔ)器需要一個(gè)單獨(dú)的slice。

2 DES加密模塊的實(shí)現(xiàn)

    要在FPGA上實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)結(jié)構(gòu)來確保關(guān)鍵部件的功耗恒定。這里選擇從雙軌和預(yù)充電技術(shù)在FPGA上實(shí)現(xiàn)旁路安全防護(hù)邏輯。當(dāng)前的技術(shù)水平需要在FPGA上進(jìn)行精確控制布局和布線。下面從S盒硬件宏的實(shí)現(xiàn)和DES加密核的實(shí)現(xiàn)來介紹基于FPGA的DES加密模塊實(shí)現(xiàn)。
2．1 S盒硬件宏的實(shí)現(xiàn)

    S盒的設(shè)計(jì)是DES算法關(guān)鍵部分，S盒設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將影響整個(gè)算法性能。在采用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)從資源和速度的角度出發(fā)，有效利用FPGA可配置屬性，充分考慮器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡可能使兩者都達(dá)到最優(yōu)。在設(shè)計(jì)中，由于綜合工具的介入，所輸出的網(wǎng)表很難被設(shè)計(jì)者所理解，同時(shí)要找到一種更好的方法來控制組合電路，因此要建立硬件宏模塊，簡稱硬宏。這與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程不同之處是要充分利用：FPG Editor的功能，目的是從FPGA底層結(jié)構(gòu)的配置上實(shí)現(xiàn)雙軌和預(yù)充電技術(shù)。
    通過Xilinx提供的FPGA Editor工具，首先讀入布局布線后輸出的NCD文件，并將其轉(zhuǎn)化為新的NVD文件，再送往BitGen軟件，進(jìn)行布局布線的優(yōu)化，最終在FPGA內(nèi)部來建立目標(biāo)電路，把它存為一個(gè)宏文件便于在上層進(jìn)行調(diào)用。要注意兩個(gè)問題：建立硬宏需要進(jìn)入到slice內(nèi)部，準(zhǔn)確控制Slice內(nèi)部的器件選擇和器件之間的連線，防止設(shè)計(jì)出錯(cuò)；宏的功能驗(yàn)證要建立仿真模型，直接編寫一個(gè)行為仿真模型后在上層設(shè)計(jì)中調(diào)用這個(gè)仿真模型，要確保仿真模型和宏之間的一致性。

2．2 DES加密核的實(shí)現(xiàn)

    DES算法的基本流程如下：首先，輸入明文通過初始置換，將其分成左、右各為32位的兩個(gè)部分，然后進(jìn)行16輪完全相同的運(yùn)算。經(jīng)過16輪運(yùn)算后，左、右半部分合并在一起經(jīng)過一個(gè)末置換(初始置換的逆置換)，于是整個(gè)算法結(jié)束。在每一輪運(yùn)算中，密鑰位移位，然后再從密鑰的56位中選取48位。通過一個(gè)擴(kuò)展置換，將數(shù)據(jù)的右半部分?jǐn)U展為48位，并通過一個(gè)異或操作與一個(gè)48位密鑰結(jié)合，通過8個(gè)S盒將這48位替代成新的32位數(shù)據(jù)，再通過一級(jí)置換操作，這四步操作即為函數(shù)f。
    S盒是DES中的非線性模塊，直接決定DES算法的安全性。在函數(shù)f的實(shí)現(xiàn)中，采用上面的思路，使用例化調(diào)用了S盒。DES加密核的VHDL設(shè)計(jì)思路如下：首先調(diào)用庫函數(shù)構(gòu)造ROM，然后使用VHDL語句進(jìn)行行為描述。這種方法要結(jié)合器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)于小容量的ROM采用數(shù)組描述，大容量的ROM應(yīng)采用元件的方式來實(shí)現(xiàn)。在VHDL設(shè)計(jì)中，庫函數(shù)、子程序的調(diào)用以及元件的調(diào)用和使用間接變量，都是影響速度的主要因素。由此得到DES Core的接口定義如下：
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3 攻擊實(shí)驗(yàn)的對(duì)比與分析

3．1 FPGA加密芯片攻擊試驗(yàn)平臺(tái)建立

    目前FPGA的種類很多，但其中有大于50％的份額被Xilinx公司搶占，在此選用xilinx公司的Virtex-5(ML501)，對(duì)其他種類的FPGA的攻擊和此類似。

    ML50l在工作時(shí)需要3個(gè)工作電壓：內(nèi)核電壓(1．2 V)、輔助電壓(2．5 V)、I／O電壓(3．3 V)，而ML501芯片的所有地線是并結(jié)在一起的。對(duì)FPGA攻擊的實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖3所示，示波器(Tektronix DP04104，1 GHz BW，5 Gsample／s)的2通道接收Virtex-5(ML501)加密模塊的觸發(fā)信號(hào)，在內(nèi)核電壓和芯片之間置一個(gè)電流探針(Tektronix CT-2，1．2 kHz～200 MHz)，1通道用電流探針測試內(nèi)核的功耗變化。攻擊過程如下：在PC機(jī)上生成64位隨機(jī)明文，通過串口發(fā)送至FPGA。FPGA收到明文后利用存儲(chǔ)在其中的密鑰對(duì)明文進(jìn)行DES加密，并在第16輪加密操作時(shí)對(duì)示波器產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號(hào)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)其實(shí)質(zhì)是要采集內(nèi)核電流所引起的功耗變化，并將數(shù)據(jù)通過USB總線送至PC機(jī)，最后在PC機(jī)上運(yùn)行分析程序攻擊出64位的密鑰。

3．2 對(duì)FPGA加密芯片的攻擊

    設(shè)定明文輸入和電流數(shù)據(jù)采樣為500組，采樣深度100 000點(diǎn)，采樣頻率為500 MSPS，在相同的試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)帶有防護(hù)結(jié)構(gòu)和不帶防護(hù)結(jié)構(gòu)的兩種DES的加密結(jié)構(gòu)進(jìn)行功耗測量，同時(shí)根據(jù)密鑰的推測將明文分類，計(jì)算各類的平均功耗，然后相減，可以得到差分功耗分析曲線。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)對(duì)不帶防護(hù)結(jié)構(gòu)的ML50l FPGA芯片進(jìn)行攻擊時(shí)，當(dāng)子密鑰塊猜測正確時(shí)，功率差分曲線出現(xiàn)明顯的尖峰，采用相同的方法可以攻擊出其他子密鑰塊，由此可以獲取第16輪的子密鑰K16(48位)，攻擊成功。對(duì)帶防護(hù)結(jié)構(gòu)的芯片攻擊時(shí)，功率差分曲線基本是平緩的，波動(dòng)非常小，也沒有明顯的尖峰存在，可見DPA攻擊對(duì)帶有防護(hù)結(jié)構(gòu)的FPGA無效。

4 結(jié)語

    由以上DPA攻擊試驗(yàn)表明了FPGA實(shí)現(xiàn)DES加密算法對(duì)DPA的脆弱性，而采用雙軌和預(yù)充電防護(hù)技術(shù)的FPGA加密芯片具有較好的抗DPA攻擊能力。這也說明利用FPGA底層開發(fā)工具通過硬件宏方法能在FPGA硬件上實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)技術(shù)的拓展，對(duì)開展芯片的安全防護(hù)工作的研究具有重要意義。