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1 芯片攻击
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故障注入攻击#xff08;Fault Injection Attack, FIA#xff09;是一种通过人为引入故障#xff0c;诱发系统或芯片在异常情况下产生错误结果#xff0c;从而泄露机密信息或破坏系统…
本文主要介绍针对安全芯片的攻击和防护方案。
1 芯片攻击
1故障注入攻击
故障注入攻击Fault Injection Attack, FIA是一种通过人为引入故障诱发系统或芯片在异常情况下产生错误结果从而泄露机密信息或破坏系统安全的攻击方法。
1.1电压毛刺攻击 (Voltage Glitching)快速改变电源电压导致芯片在电压异常时出现错误行为。
1.2时钟毛刺攻击 (Clock Glitching)通过改变时钟信号频率诱发芯片在异常时钟频率下出错。
1.3激光注入攻击使用激光照射芯片的特定区域扰乱其正常工作。
1.4电磁注入攻击通过电磁辐射干扰芯片的正常运行诱发错误。 防护措施
- 电压和时钟监测使用电压和时钟检测传感器监测并响应异常电压和时钟变化。
- 冗余计算引入冗余计算比较计算结果发现并纠正故障。
- 错误检测和纠正使用错误检测和纠正码检测并修复数据错误。
- 随机延迟在计算过程中引入随机延迟增加故障注入的难度。 2侧信道攻击
侧信道攻击Side-Channel Attack, SCA是一种通过分析硬件设备的非功能输出如电磁辐射、电源消耗、时序信息等来推断机密信息的攻击方法。
1.1功耗分析攻击通过测量设备在执行加密操作时的功耗变化推断加密密钥。 - 简单功耗分析 (SPA)直接分析功耗波形寻找密钥信息。 - 差分功耗分析 (DPA)通过统计分析多个功耗波形提取相关信息。
2.2电磁分析攻击通过测量设备在执行操作时的电磁辐射推断内部操作和数据。
2.3时序分析攻击通过测量设备在不同输入下执行操作的时间推断密钥或其他敏感信息。 防护措施
- 功耗均衡在执行加密操作时尽量使功耗曲线平滑均匀避免泄露信息。
- 随机化在执行加密操作时引入随机因素如随机延迟、随机掩码等增加分析难度。
- 电磁屏蔽使用屏蔽材料减少电磁辐射防止电磁分析。
- 时序平衡确保加密操作在不同输入下执行时间相同防止时序分析。 2 芯片防护
1密码算法防护
1.1防故障注入攻击
- 冗余计算对密码算法流程操作进行多次冗余计算比较计算结果如果不一致则进行错误处理。例如
def aes_encrypt_with_redundancy(key, plaintext): ciphertext1 aes_encrypt(key, plaintext) ciphertext2 aes_encrypt(key, plaintext) if ciphertext1 ! ciphertext2: raise Exception(Fault injection detected) return ciphertext1 - 错误检测在计算过程中插入校验码或冗余数据如奇偶校验、校验和等在每个计算步骤后验证校验码以检测和纠正由故障注入引起的错误。例如
def add_parity_bit(data): parity sum(data) % 2 return data [parity] def check_parity_bit(data): parity sum(data[:-1]) % 2 return parity data[-1] def aes_encrypt_with_parity_check(key, plaintext): plaintext_with_parity add_parity_bit(plaintext) if not check_parity_bit(plaintext_with_parity): raise Exception(Input data parity check failed) ciphertext aes_encrypt(key, plaintext_with_parity[:-1]) return ciphertext - 随机延迟在密码算法操作中引入随机延迟增加故障注入的难度。 1.2防侧信道攻击
- 功耗均衡在硬件实现中通过硬件电路设计均衡功耗使功耗变化不随数据变化。
- 掩码技术在密码算法操作中使用随机掩码将数据与随机数结合如异或运算隐藏真实数据在计算结果上撤销掩码恢复真实数据防止侧信道攻击。例如
import random def apply_mask(data, mask): return [d ^ m for d, m in zip(data, mask)] def aes_encrypt_with_masking(key, plaintext): mask [random.randint(0, 255) for _ in range(len(plaintext))] masked_plaintext apply_mask(plaintext, mask) masked_ciphertext aes_encrypt(key, masked_plaintext) unmasked_ciphertext apply_mask(masked_ciphertext, mask) return unmasked_ciphertext - 随机化在密码算法操作中引入随机延迟和操作顺序增加分析难度。
- 伪操作对密码算法计算流程操作插入无意义的计算操作如随机数生成、无关的数学运算等确保伪操作均匀分布在整个计算过程中使攻击者难以区分真实操作和伪操作从而增加攻击者分析计算过程的难度。例如
def aes_encrypt_with_dummy_operations(key, plaintext): # 插入伪操作 for _ in range(random.randint(1, 5)): dummy_value random.randint(0, 255) ^ random.randint(0, 255) ciphertext aes_encrypt(key, plaintext) # 插入伪操作 for _ in range(random.randint(1, 5)): dummy_value random.randint(0, 255) ^ random.randint(0, 255) return ciphertext - 电磁屏蔽在硬件设计中使用屏蔽材料减少电磁辐射防止电磁分析。
- 时序平衡确保密码算法操作在不同输入下执行时间一致防止时序分析。 2安全处理器
2.1寄存器校验
对CPU内部重要寄存器如PC寄存器等进行校验校验出错时触发异常。
2.2统一指令执行时间
对关键计算指令例如乘除法指令和不带延迟的分支指令实现统一指令执行时间增强安全性和防护性。
- 乘除法指令调整操作流程确保相同数据的乘除法操作会执行两次。
- 分支指令不论是否跳转都使用统一的执行时间内部实现功耗扰动防止分析和识别跳转指令。
2.3随机指令插入
通过外部信号控制随机插入自跳转指令扰乱程序执行时间。例如随机插入的自跳转指令内部实现功耗扰动防止攻击者分析和识别自跳转指令。
2.4指令操作随机化
在CPU正常执行指令时随机翻转空闲的功能寄存器或者改变指令的执行顺序或增加随机化延迟防止攻击者通过时序分析来推测指令的执行流程。
2.5极性翻转
在CPU内部的数据路径和地址路径上引入随机极性翻转增强抵抗功耗分析的能力。
2.6Cache数据安全
- CCMCacheable Contiguous Memory可缓存连续内存输出的数据增加一位用于表示当前读出的数据是否有校验错误可以帮助CPU在读取CCM数据时快速检测出可能存在的数据错误从而增强系统对数据完整性的保护。
- 支持多周期访问CCM在响应CPU的读取或写入请求时可以进行多个时钟周期的操作从而提高对CCM的访问效率和灵活性特别是在处理大量数据或需要多步操作的情况下。
- 提供对CCM操作来源信息的支持用于增强对CCM访问权限的控制。例如区分指令取指I-DMI、数据加载/存储LD/ST、CCM调试接口D-DMI、以及由调试器进行的访问等不同的操作来源。 扩展智驾SoC双核锁步
双核锁步通过在系统设计层面引入冗余执行和结果比较机制在智驾SoC芯片上集成了两个独立的CPU核心通常是对称多处理器SMP架构或者多核心对称处理器CMP架构这两个核心相互独立但又可以协同工作会并行运行同一段代码或任务保持步调完全一致其运行的结果会进行比较如果出现差异则会进行错误检测和纠正可有效抵御故障注入攻击保障系统的容错性和可靠性。
工作原理
1双核部署: 智驾CPU集成了两个完全相同的核心称为核心A和核心B。
2指令同步: 在双核锁步模式下核心A和核心B同时接收到相同的指令流它们分别独立执行相同的操作。
3结果比较: 在每个时钟周期结束时核心A和核心B的执行结果会进行比较。如果它们的结果一致则认为当前阶段的操作是正确的如果结果不一致则可能意味着至少一个核心出现了错误。
4错误处理: 当检测到核心A和核心B的结果不一致时系统可以采取多种策略进行错误处理例如
- 错误检测和纠正: 可以使用硬件或软件机制进行错误检测和修复。
- 故障切换: 可以切换到备用核心或执行备用算法来确保系统继续稳定运行。
5提高系统可靠性: 双核锁步技术通过对比两个核心的执行结果能够有效地检测和纠正由于硬件故障或软件错误导致的异常行为从而提高了系统的整体可靠性和容错能力。 3存储器加密和数据校验
3.1存储器加密是指对存储在安全芯片内存中的数据进行加密以防止未经授权的访问和数据泄露。实现步骤如下
密钥生成由安全芯片生成和管理加密密钥。
数据加密写入存储器时使用硬件加密引擎如AES对数据进行加密。
数据解密读取存储器时使用硬件加密引擎如AES对数据进行解密。
密钥保护加密密钥存储在安全区域如 TEE中或者固化隐藏防止密钥泄露。
3.2存储器数据校验是通过在数据中添加校验码来检测和纠正存储器中的错误以确保数据的完整性和正确性。
- 数据校验技术
奇偶校验在数据中添加一个位作为奇偶校验码用于检测单比特错误。
校验和将数据的所有字节相加得到校验和用于检测多比特错误。
循环冗余校验 (CRC)使用多项式生成校验码能够检测并纠正多比特错误。
- 实现步骤
生成校验码在数据写入存储器时生成并附加校验码。
校验数据在数据读取时重新计算校验码并与存储的校验码进行比较。
错误处理如果校验码不匹配则检测到数据错误进行相应的错误处理。 4环境检测网络
物理环境监测网络用于检测和响应物理层面的攻击和异常包括各种传感器和防护机制。
- 主动屏蔽层通常由芯片顶层金属或多层导电和非导电材料组成包覆敏感芯片区域形成一个检测屏蔽网格防止物理探测和干扰。
- 电压检测传感器监测芯片的工作电压检测异常电压变化防止通过改变电压来诱发故障或绕过安全检查。
- 电流检测传感器监测芯片的工作电流识别异常电流变化防止通过电流变化进行攻击如电源分析攻击。
- 时钟频率检测传感器监测芯片的工作频率检测频率异常变化防止通过改变时钟频率进行攻击如时钟故障攻击。
- 电压毛刺检测传感器检测电压供应中的毛刺和快速变化防止通过电压毛刺诱发芯片故障或错误行为。
- 光检测传感器检测环境光变化识别光注入攻击防止攻击者通过光照来读取或干扰芯片数据。 5安全测试模式
安全测试模式是确保芯片在开发和生产过程中能够进行充分的测试和验证同时在实际使用中不会泄露敏感信息或暴露安全漏洞保证安全性的关键步骤。测试模式应仅能在特定条件下启用例如通过硬件开关或经过认证的命令且与正常操作模式隔离防止测试期间的操作影响正常使用。实现方法如下:
5.1测试模式激活与认证
硬件触发通过物理硬件开关或跳线来启用测试模式这些开关或跳线在芯片封装后无法更改。例如硬件FUSE是一种一次性可编程的硬件组件存储安全配置和状态信息是否允许进入测试模式在芯片制造过程中通过激光烧蚀或电流脉冲对FUSE进行编程一旦FUSE被设置为禁用测试模式状态则无法恢复确保出厂后芯片的安全性。
软件触发使用特殊命令或密钥组合来启用测试模式需要经过认证过程如使用加密的测试密钥。
5.2测试功能隔离
模式切换控制在芯片设计中实现明确的模式切换控制逻辑确保测试模式与正常模式严格分离。
测试接口限制仅在受信任的制造或测试环境中使用特定的硬件或软件密钥组合进入测试模式在测试过程中仅开放必要的测试接口并限制对关键安全模块和数据的访问防止测试过程中泄露敏感信息。
5.3安全性验证
加密与认证对进入测试模式的命令和数据进行加密和认证防止未经授权的访问。
审计与日志记录所有测试模式下的操作和访问便于事后审查和分析。
