CN104992114A - 基于嵌入式密码芯片的电磁分析***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析***及方法，其中，该***包括：密码芯片、稳压电源、电磁信号检测器、数字存储示波器及计算机；密码芯片与计算机电连接；稳压电源与密码芯片电连接；电磁信号检测器与密码芯片耦合连接；数字存储示波器与电磁信号检测器电连接；计算机与数字存储示波器电连接。本发明可对局部电磁辐射进行测量，通过将电磁信号检测器置于所测组件附近，可以精确地测出该组件单独的电磁辐射情况，因此该电磁分析***不易出现“误警”的情况，可以有效的提高攻击的成功概率。

Description

基于嵌入式密码芯片的电磁分析***及方法

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析***及方法。

背景技术

随着科技水平的日益提高，各种密码算法和安全芯片越来越被广泛地应用于日常生活、经济活动和军事应用中，同时针对密码算法和硬件设备的攻击和防护研究也在不断深入。密码芯片在运行过程中会泄漏除输入输出以外的信息，如功耗、电磁辐射、故障错误、时序信息等，这些统称为侧信道信息。侧信道信息同密码芯片内部中间运算、中间状态数据、密钥存在一定的相关关系。利用这些侧信道信息对密码芯片进行密钥分析称为侧信道分析。

目前，侧信道分析中应用较为广泛的为功耗分析，功耗采集***通常是在密码芯片电源和地端串联小电阻，通过测量小电阻上电压来采集功耗曲线以进行分析，在测量功率消耗时，功耗分析技术是对总电流进行分析，只能测出芯片整体的功耗，无法精确到所要分析的单个组件，从而导致在功耗分析时有可能出现“误警”，即在功耗的差分曲线中，由于其它组件的功耗影响，最大峰值对应的并不是正确的密钥值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析***，包括：密码芯片、稳压电源、电磁信号检测器、数字存储示波器及计算机；密码芯片与计算机电连接，用于接收计算机发送的明文或密文，并将明文经加密或解密处理后向计算机返回密文或明文；稳压电源与密码芯片电连接，用于为密码芯片供电；电磁信号检测器与密码芯片耦合连接，用于采集密码芯片泄露的电磁辐射信号；数字存储示波器与电磁信号检测器电连接，用于记录电磁信号检测器采集的电磁辐射信号；计算机与数字存储示波器电连接，用于采集和存储数字存储示波器记录的电磁辐射信号，并对电磁辐射信号进行分析得到秘密信息。

进一步，电磁信号检测器为电磁探头或自制线圈。

进一步，密码芯片通过USB或串口与计算机进行通信。

进一步，计算机通过USB与数字存储示波器进行通信。

本发明的实施例还提供了一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析方法，包括：

密码芯片接收计算机发送的明文或密文，并对所接收的明文或密文进行加解密操作后将结果返回至计算机；

电磁信号检测器通过触发线发送触发信号至数字存储示波器，通知数字存储示波器采集电磁数据；

数字存储示波器储对采集的电磁数据进行处理，同时将电磁数据传输至计算机；

计算机中通过数据分析软件对接收的电磁数据进行分析处理。

与现有技术相比本发明的有益效果是：该电磁分析***可以对局部电磁辐射进行测量，通过将电磁信号检测器置于所测组件附近，可以精确地测出该组件单独的电磁辐射情况，因此该电磁分析***不易出现“误警”的情况，可以有效的提高攻击的成功概率。

附图说明

图1为本发明基于嵌入式密码芯片的电磁分析***的结构框图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

下面结合具体实例和说明书附图对本发明做进一步说明。

参图1所示，图1为本发明基于嵌入式密码芯片的电磁分析***的结构框图。

本实施例提供了一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析***，包括：密码芯片1、稳压电源2、电磁信号检测器3、数字存储示波器4及计算机5；密码芯片1与计算机5电连接，用于接收计算机5发送的明文或密文，并将明文经加密或解密处理后向计算机5返回密文或明文；稳压电源2与密码芯片1电连接，用于为密码芯片1供电；电磁信号检测器3与密码芯片1耦合连接，用于采集密码芯片1泄露的电磁辐射信号；数字存储示波器4与电磁信号检测器3电连接，用于记录电磁信号检测器采集的电磁辐射信号；计算机5与数字存储示波器4电连接，用于采集和存储数字存储示波器记录的电磁辐射信号，并对电磁辐射信号进行分析得到秘密信息。该电磁信号检测器3可采用电磁探头或自制线圈；该密码芯片1可通过USB或串口与计算机5进行通信；该计算机5可通过USB与数字存储示波器4进行通信。

本实施例提供的电磁分析***，通过测量密码芯片周围电磁场变化来获取与密钥相关信息。电磁辐射信号的采集与功耗信号的采集不同之处在于不需要在密码芯片的供电回路中串联电阻，在确定密码芯片运算位置后，将电磁信号检测器放于其表面附近，以非接触式采集电磁信号并传送给计算机进行密钥分析即可，该电磁信号检测器可以对局部电磁辐射进行测量，如数据密集区的ALU(算术逻辑单元)、总线等，通过将电磁信号检测器置于所测组件附近，可以精确地测出该组件单独的电磁辐射情况，因此该电磁分析***不易出现“误警”的情况，可以有效的提高攻击的成功概率；同时，依据电磁辐射感应场和辐射场的划分电磁分析不仅可以在近场进行，也可以在远场进行，因而攻击者的隐蔽性较好。最后，电磁曲线对采集接口没有要求，对特殊电路(如非7816/14443接口)的安全芯片可以更快捷地搭建攻击或测试平台；另外，由于电磁分析可以绕过设备采取的抗功耗分析的措施，因此在功耗分析无法实施时，电磁分析还是可以成功实现的。

本实施例中的密码芯片1指被攻击的芯片，计算机5可对***中的设备进行配置，并可通过太网与数字存储示波器4建立通讯机制。为了便于通信，密码芯片1可通过开发板上的USB或串口与计算机5进行交互通信，或用单片机代替进行密码算法的加密、解密操作，示波器采集波形数据传送给计算机，计算机对数据分析与处理，进行电磁分析。

本实施例对于近场电磁信号的采集，可采用Langer EMV-Technik公司的近场探头RF-R400(或采用差分探头连接自制感应铜线圈)，测量时水平放置于被测芯片上方约0.5cm处；对于远场电磁信号采集，可采用宽带电磁接收机(或TEMPEST接收机)，接收机天线置于0.5cm处或更远。为测量组件的电磁辐射情况，需在组件附近放置很小的探针，其直径应小于所测组件的范围。由于在标准的智能卡中，每个组件的大小只有几百微米，为了隔离不同组件之间的影响，探针的大小必须小于该值。探针可选择硬盘磁头、感应器、磁线圈等，但通常使用手工制作的外径为150～500um，由铜绞线做成的螺线管即可获得很好的测量值。线圈外径大小和缠绕匝数及距离待测芯片的位置对采集的信号效果都有很大影响。电磁线圈的直径越小，匝数越多，距离待测芯片的距离越近，采集的电磁信号密度越大，效果越好。

数据采集装置可采用存储式数字示波器，首先通过RS232接口给芯片提供随机明文并输入，当运行密码算法时，触发示波器记录电磁泄漏信号，并控制示波器实时向PC机通过USB传输电磁波形数据，循环往复至采集到所有数据，以便后续分析。目前，集成电路芯片中每一级门的工作翻转时间一般小于1ns，时钟频率也在几兆到几十兆之间，因此，采样率需要达到100MHz以上，对于高速芯片，需要几百MHz乃至上GHz。本实施例中的数字存储示波器4可使用泰克公司生产的4通道DPO7104型数字荧光示波器。它具有功率测量和分析、频谱分析、考察瞬时动态等功能，面向串行应用和数字应用的3.5GHz带宽，在4条通道上可实现实时采样速率高达10GSa/s。同时记录长度高达400M样点，具有250000wfms/s的最大波形捕获速度。

示波器采集数据的步骤包括：

(1)计算机通过串口设置将程序下载到开发板，同时启动示波器，进行波形的采集；

(2)分析示波器采集的数据；

(3)将示波器采集的数据用数据分析软件进行分析，并画出样本图；

(4)通过对采集后图形的分析，描绘出密码算法的电磁曲线图形。

在本实施例中，电磁信号触发方式可以采用在编写加解密运算程序过程中加入触发信号代码实现，可以在单个触发信号内观察电磁曲线，收集数据。

触发信号是能够表示加密芯片工作状态的输入或输出信号，在***中，采用外部触发信号。示波器的一个数字通道采样的触发信号，当检测到触发信号的有效变化(上升沿或下降沿)即开始采样。在被测程序开始前，将单片机某一管脚(如PORTA.0)置1，然后运行被测程序，同时示波器开始采集，运行完后将这一管脚置0，给示波器发送停止触发信号，示波器停止采集。该管脚为高电平时所对应的波形即为被测程序波形，这就完成了一个完整的波形采集过程。

在本实施例中，该密码芯片1可采用AVR ATmega16单片机替代，电磁信号检测器3可采用自制线圈，测量时将自制电磁线圈放置于单片机上部，使单片机工作过程中的电磁辐射信号通过电磁线圈转换成电压信号，利用数字存储示波器采集。ATmega16是低功耗8位CMOS微控制器，基于增强的AVRRISC结构，其指令集和单时钟周期指令执行时间非常先进。ATmega16高达1MIPS/MHz的数据吞吐率可以减缓单片机***在处理速度和电磁泄漏之间的矛盾。单片机电路的5V电压由稳压电源提供，计算机用CodeVisionAVR软件和AVR Studio 4软件运行程序，通过RS232串口将程序下载到单片机运行。示波器一个探针连接单机PORTA.0端口用来触发，触发信号在程序中设置，另一个探针连接螺线管用来采集电磁信息。

本实施例还提供了利用该电磁分析***进行电磁分析的方法，该方法包括：

密码芯片1接收计算机5发送的明文或密文，并对所接收的明文或密文进行加解密操作后将结果返回至计算机5；

电磁信号检测器3通过触发线发送触发信号至数字存储示波器4，通知数字存储示波器4采集电磁数据；

数字存储示波器储4对采集的电磁数据(电磁曲线和数据)进行处理，同时将电磁数据传输至计算机5；

计算机5中通过数据分析软件对接收的电磁数据进行分析处理。

本实施例提供的电磁分析的方法，以非接触式采集电磁信号并传送给计算机进行密钥分析，可以对局部电磁辐射进行测量，精确地测出该组件单独的电磁辐射情况，因此该电磁分析***不易出现“误警”的情况，可以有效的提高攻击的成功概率。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (5)

1.一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析***，其特征在于，包括：密码芯片、稳压电源、电磁信号检测器、数字存储示波器及计算机；所述密码芯片与所述计算机电连接，用于接收计算机发送的明文或密文，并将明文经加密或解密处理后向计算机返回密文或明文；所述稳压电源与所述密码芯片电连接，用于为所述密码芯片供电；所述电磁信号检测器与所述密码芯片耦合连接，用于采集密码芯片泄露的电磁辐射信号；所述数字存储示波器与所述电磁信号检测器电连接，用于记录电磁信号检测器采集的电磁辐射信号；所述计算机与所述数字存储示波器电连接，用于采集和存储所述数字存储示波器记录的电磁辐射信号，并对电磁辐射信号进行分析得到秘密信息。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式密码芯片的电磁分析***，其特征在于，所述电磁信号检测器为电磁探头或自制线圈。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式密码芯片的电磁分析***，其特征在于，所述密码芯片通过USB或串口与所述计算机进行通信。

4.根据权利要求所述的基于嵌入式密码芯片的电磁分析***，其特征在于，所述计算机通过USB与所述数字存储示波器进行通信。

5.一种基于嵌入式密码芯片的电磁分析方法，其特征在于，包括：

密码芯片接收计算机发送的明文或密文，并对所接收的明文或密文进行加解密操作后将结果返回至计算机；

电磁信号检测器通过触发线发送触发信号至数字存储示波器，通知数字存储示波器采集电磁数据；

数字存储示波器储对采集的电磁数据进行处理，同时将电磁数据传输至计算机；

计算机中通过数据分析软件对接收的电磁数据进行分析处理。