第４ ２卷 第４期 ２ ０ １ ４年 ４月
华 中 科 技 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版） ） Ｊ ．Ｈ ｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ． ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ．＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ．（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ
１ １ ７ ， 实 现了极小化的泄漏型硬件木马电路 ， 其逻辑测试空间超过 ２ 且仅需 ５ 个寄存器和 ８ 个 Ｌ 采用差分分 ＵＴ．
对两组故障信息进行分析 ， 经过 １ 析方法 ， ７ １． ６ ８ｓ成功破解密钥 ． 关键词 硬件木马 ；差分故障分析 ；数据加密标准 ；密码芯片 ；差分分析 ；故障注入 （ ） 中图分类号 ＴＮ ９ １ ８ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ６ ７ １ ４ ５ １ ２ ２ ０ １ ４ ０ ４ ０ ０ ６ ８ ０ ４ － － －
ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｒ ｏ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ Ｔ ｒ ｏ ａ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ａ ｔ ｔ ａ ｃ ｋ ｗ ａ ｓ Ａ － ｐ ｐ ｐ ｊ ｇ ， ｏ ｓ ｅ ｄ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｃ ｒ ｔ ｏ ｃ ｈ ｉ ｔ ｏ ｌ ｅ ａ ｋ ｋ ｅ ． Ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗ ａ ｓ ｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｒ ａ ｎ － ｐ ｙ ｐ ｐ ｙ ｐ ｄ ｏ ｍ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ． Ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ ｅ ｘ ｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｖ ｅ ｏ ｒ（ Ｘ Ｏ Ｒ） ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｍ ｏ ｄ ａ ｔ ｅ ． Ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ － ｊ ｇ ｙ ｇ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ａ ｍ ｉ ｎ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｄ ｌ ｅ ａ ｋ ａ ｅ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ Ｔ ｒ ｏ ａ ｎ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｇ ｊ ｇ ， （ ） ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｗ ｉ ｎ Ｓ Ａ Ｓ Ｅ Ｂ Ｏ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｄ ａ ｔ ａ ｅ ｎ ｃ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｄ Ｅ Ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｐ ｙ ｐ ｐ ） ，ｗ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｎ ｌ ５ｒ ｅ ｉ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ８Ｌ ＵＴ （ ｌ ｏ ｏ ｋ ｕ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ａ ｃ ｅ ｅ ｘ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｔ ｒ ｏ ａ ｎ － － ｐ ｙ ｇ ｐ ｐ ｊ １ １ ７ ， ２ ． Ｔ ｗ ｏ ｏ ｆ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｉ ｓ ｒ ｏ ｕ ｓ ｙ ｙ ｙ ｇ ｐ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｅ ｄ ｉ ｎ １ ７ １． ６ ８ｓ ． ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ Ｔ ｒ ｏ ａ ｎ； ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｄ ａ ｔ ａ ｅ ｎ ｃ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｃ ｒ ｔ ｏ ｃ ｈ ｉ ｄ ｉ ｆ ｈ － ｊ ｙ ｙ ｐ ｙ ｐ ｐ； ｙ ； ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙ ｊ 制造与使用的发展趋势 ， 芯片 随着芯片设计 、 安全受到越来越 多 的 威 胁 ， 尤其是来自硬件木马 的威胁 ． 硬件木马是在 Ｉ Ｃ 设计制造过程中人为植 入的一些具有恶 意 功 能 的 电 路 ， 能够在特定条件 下产 生 泄 漏 信 息 、 更 改 功 能、 破坏结构等恶意行 为
鉴于硬件木马 的 巨 大 威 胁 ， 研究人员提出了
］ １ ２ １ ４ － ， 众多检测方 法 ［ 对硬件木马的设计提出了很
状态机中采 用 ５ 位 寄 存 器 保 存 状 态 值 ， 每个 状态值由攻击者 随 机 指 定 ， 只有攻击者掌握该随 机状态序列 ． 同时将每个状态值作为比较条件 ， 减 少设计所需 逻 辑 单 元 ． 下一节拍自动 Ｓ ３ ２状 态 下， 因此一次故障出现后 ， 即使重新 跳转回初始状态 ． 输入前一个明文数据 ， 也不会产生故障 ， 可伪装为 随机故障 ． ５位寄存器能够表达３ ２ 种 不 同 状 态， 因此 激 活 电 路 的 逻 辑 测 试 空 间 为 ３ 大于 ２！ （
１ １ ７ ） ， 超过 Ｄ ２ Ｅ Ｓ 加密自身的测试空间 ．
高要求 ． 综合分析各种检测方法 ， 为了提高硬件木 应 注 意 以 下 方 面． 马的抗检测 能 力 ， ａ ．电 路 规 模 木马电路规模应尽可能小 ， 否则将造成芯片功 小． 耗、 电磁等旁路信号的较大改变 ； 不能直接接触输 入输出端口 ， 否则造成线路延迟的较大改变 ． 这些 因素都会使 得 硬 件 木 马 的 隐 蔽 性 差 ． ｂ ．抗 逻 辑 测试能力强 ． 对芯片进行正常逻辑测试时 ， 硬件木 未激 马不能被激 活 ． ｃ ．不 干 扰 原 始 芯 片 的 功 能 ． 活状态下 ， 原始芯片能够正常工作 ． 本文以 Ｄ 以 规 模 小、 隐 Ｅ Ｓ 加 密 电 路 为 目 标， 不干扰 原 始 芯 片 功 能 为 原 则 设 计 了 具 有 蔽性强 、 该电路分为激活逻辑 故障注入功能的 木 马 电 路 ． 和工作逻辑两个部分 ． 整体结构如图 １ 所示 ， 其中 工作逻 激活逻辑采用自 定 义 随 机 值 作 为 状 态 值 ， 辑采用故障注入 的 方 法 实 现 密 钥 泄 漏 ， 泄漏电路 仅需要一个异或门 ．
， 可以轻易地绕过现有安全防护体系 ， 对芯片
安全构成重大威胁 ． 硬件木马是当前研究的热点 ，
］ ２ ３ － 已取得众多研 究 成 果 ［ 然 而 现 有 研 究 中， 或侧 ．
收稿日期 ２ ０ １ ３ ０ ９ ０ ８． － － ， ： 作者简介 张 阳 （ 男， 讲师 ， ｏ ｕ ｎ ｚ ｈ ｘ ｍ＠１ １ ９ ８ ４ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ２ ６． ｃ ｏ ｍ． －） ｙ ｇ ） ；国家自然科学基金资助项目 （ ） ；河北省自然科学基 基 金项目 国家自然科学基金资助项目 （ ６ １ ２ ７ １ １ ５ ２ ５ １ ３ ７ ７ １ ７ ０ ） 金资助项目 （ Ｆ ２ ０ １ ２ ５ ０ ６ ０ ０ ８ ．
摘要 基于差分故障分析原理 ， 提出一种实现密码芯片密 钥 泄 漏 的 新 型 硬 件 木 马 设 计 ． 利用随机状态值实现 利用单个异或门 （ 实现故障注入 ， 构建 基 于 故 障 信 息 的 差 分 分 析 模 型 ． 以数据加密标准（ 激活电路 ， Ｘ Ｏ Ｒ） ｄ ａ ｔ ａ ， ） 密码算法为攻击目标 ， 以Ｓ 设计并 ｅ ｎ ｃ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｄ Ｅ Ｓ Ａ Ｓ Ｅ Ｂ Ｏ 旁路攻击标准评估板作为硬件实现平台 ， ｙ ｐ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ２Ｎ ｏ ． ４ ｒ ． ０ １ ４ Ａ ２ ｐ
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ ３ ２ ４ ５ ． ｈ ｕ ｓ ｔ ． １ ４ ０ ４ １ ５ ｊ
基于故障注入的硬件木马设计与差分分析
张 阳 李雄伟 陈开颜 徐 徐
（ ） 军械工程学院信息工程系 ，河北 石家庄 ０ ５ ０ ０ ０ ３
控制故 障 的 产 生 ； ｉ ｎ为引起状态变化的比较条 件， 由初始压缩置换的结果中选定 ５ 位组合而成 ． 由于置换可逆 ， 因此可反向推导获得激活木马所 需明文值 ． 通 过 该 方 式 使 得 木 马 不 直 接 接 触Ｉ Ｏ， 降低对线路延迟的改变 ．
图 ２ 激活逻辑状态机
１ 硬件木马设计
第４期
Байду номын сангаас
张阳 ， 等 ：基于故障注入的硬件木马设计与差分分析
·６ ９·
芯片威胁最大的 方 法 之 一 ． 然而该方法须要通过 电磁辐射 、 激光 、 微探测或切断线路等方法在密码 实施的难度 大， 代 价 高， 且可控 芯片 中 注 入 故 障 ， 性差 ． 在密码芯片设 计 制 造 过 程 中 ， 实现差分故障 攻击仅须在特定 位 置 注 入 单 比 特 故 障 ． 随着密码 算法的运行 ， 单个故障将扩散至全部密文 ， 利用差 即可破解密钥 ， 分分析方法对故障信息进行分析 ， 因此利用该特点可设计得到电路规模极小硬件木 本 研 究 首 次 利 用 差 分 故 障 攻 击 原 理 ，以 马． Ｓ Ａ Ｓ Ｅ Ｂ Ｏ旁 路 攻 击 平 台 上 实 现 的 标 准 Ｄ Ｅ Ｓ加密 算法为攻击目标 ， 设计并实现了注入故障的硬件 木马 ， 构建了基于故障信息的差分分析模型 ， 成功 破解了密钥 ．
［ １］ ４］ ； 重理论分析 ， 而不具有实际功能 ［ 或具有一定功 ３， ５］ 能， 而电 路 规 模 较 大 ， 容 易 检 测［ 如何设计功 ．
能强且抗检测能力强的硬件木马是当前研究中的
６］ 难点问题 ［ ．
差分故障攻击 通 过 对 密 码 芯 片 注 入 故 障 ， 利
７］ 用差分分析方 法 ［ 对 故 障 信 息 进 行 分 析， 从而破 ［］ ［ ０ ］ 解 密 钥 ，已 对 Ｄ 以 及 Ｅ Ｓ， ３ Ｄ Ｅ Ｓ８ ，Ａ Ｅ Ｓ９－１ ［ １ １］ 是对密码 Ｓ ＭＳ ４ 等密码 算 法 成 功 实 施 了 攻 击 ，