《電子技術(shù)應(yīng)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。
中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245035
中文引用格式： 沈煒，劉詩(shī)宇，楊光，等. 面向密碼芯片設(shè)計(jì)階段的仿真?zhèn)刃诺腊踩苑治龇椒ㄑ芯縖J]. 電子技術(shù)應(yīng)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

密碼芯片是保障網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸和交換安全性的重要部件，其安全性至關(guān)重要。芯片在運(yùn)行過(guò)程中，其邏輯門的變化在物理上體現(xiàn)為電流的變化，從而引起能量消耗。如果芯片自身安全機(jī)制不足或未做泄漏防護(hù)，芯片在處理敏感信息時(shí)產(chǎn)生的能量將與敏感信息之間產(chǎn)生隱通道，如被攻擊者加以利用，可能造成數(shù)據(jù)泄漏，對(duì)系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生極大的威脅。

目前針對(duì)上述問(wèn)題的典型測(cè)試方法是在芯片設(shè)計(jì)完成后，采用專用硬件設(shè)備搭建側(cè)信道分析平臺(tái)，對(duì)芯片實(shí)物開展能量側(cè)信道安全性分析。該方法主要存在以下問(wèn)題：一是硬件設(shè)備成本較高，當(dāng)前測(cè)試方法分析過(guò)程的精確性依賴于專業(yè)側(cè)信道采集設(shè)備，此類設(shè)備價(jià)格昂貴；二是搭建分析平臺(tái)難度大、時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試人員需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力設(shè)計(jì)和調(diào)試側(cè)信道采集板卡，測(cè)試周期難以保證；三是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題較晚、修復(fù)成本高，現(xiàn)有的硅后測(cè)試方法不僅發(fā)現(xiàn)問(wèn)題階段較晚，而且修改后需重新流片，修復(fù)成本較高。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前已經(jīng)有研究提出了針對(duì)芯片晶體管級(jí)、門級(jí)、RTL級(jí)的仿真?zhèn)刃诺婪治龇椒?。文獻(xiàn)[1]提出了在晶體管級(jí)進(jìn)行基于漢明差的差分功耗分析方法，但分析時(shí)間需要數(shù)天，時(shí)間開銷較大。文獻(xiàn)[2]結(jié)合Primetime PX工具構(gòu)建了門級(jí)的側(cè)信道分析框架。文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析SAIF文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL級(jí)的側(cè)信道分析，但SAIF文件一般只適用于Synopsys工具，通用性不強(qiáng)。

本文提出了一種基于功能仿真的密碼芯片側(cè)信道分析方法，該方法在密碼芯片早期的RTL設(shè)計(jì)階段，通過(guò)功能仿真的手段生成仿真能量跡，實(shí)現(xiàn)待測(cè)芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行側(cè)信道攻擊與泄漏評(píng)估。相比于硅后的側(cè)信道分析方法，本文提出的方法不僅不需要專用的硬件設(shè)備，而且可以在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)的泄漏檢測(cè)、定位和側(cè)信道攻擊。


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http://www.ihrv.cn/resource/share/2000006186


作者信息：

沈煒，劉詩(shī)宇，楊光，李東方

（中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院706所，北京 100854）


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