《硬件安全》读书笔记

零

教师介绍

Gang Qu, 马里兰大学教授，嵌入式系统实验室以及硬件安全实验室的Director。UCLA毕业CS博士，本科为中科大。

对他的感受是讲课比较无聊，讲的冷笑话超级冷……

生词

• fabrication 制造
• obfuscation 混淆
• constraint 约束
• countermeasures 对策
• cryptanalysis 密码分析
• manipulate 操做
• soldering 焊接

1、数字系统设计：基础与弱点

CAD tools | 计算机辅助设计工具 | Computer-aided Design tools
DCC | 无关状况 | Don't Care Condition
IP | 知识产权 | Intellectual Property
SDC | 知足性无关 | Satisfiability don't cares
ODC | 观察性无关 | Observation don't cares

• 同步电路 有时序，信号只在时钟上翻转。相对的，异步电路 则没有时序。
• 系统声明 摘录定义原话:The specification of a system is a description of its functionality and other characteristics required for its use.一般包含了输入、输出及从输入到输出的布尔函数表达。形式也可使用真值表或状态转换图等。它的表述能够是高级(high level)的，系统的输入输出能够是十进制表达；也能够是低级（low level, binary level）的，系统的输入输出必须表示为二进制。
• 系统实现 定义原话：The implementation of a system is how the system is constructed from simpler components.可使用基础门、通用门、技术库、触发器（内存单元）以及IP等。
• 通用门 可以实现全部数字系统（等价于实现全部基础门）的一个或一组门。例如NAND，或者{OR, NOT}
• 无关条件 用户对某种输入而言，并不关心其输出值
• 知足性无关 对于电路的某个部分而言，因为其以前的电路约束，某种输入组合永远不可能出现,用该部分电路的输入组合表示（{x=1, y=1}）
• 观察性无关 对于电路的某个部分而言，当x恒定在某个值时，不管y为什么值都不影响输出（也就是某个子系统的实现可有可无），用该部分电路的输入组合表示（{x=1, y=1}, {x=1, y=0}）。【问】
• 锁存器 latch
• 触发器 Flip-Flop
• 自我纠错的设计 将DCC指向有意义的状态。而这也可能带来后门，由于这意味着攻击者可能利用DCC转向他须要的状态。

2、知识产权保护

SOC | 芯片级系统 | System On Design
VLSI | 超大规模集成电路 | Very Large Scale Integration
GC | 图着色（问题） | Graph Coloring
GP | 图分割（问题） | Graph Partitioning
PUF | 物理不可复制功能 | Physical Unclonable Function

• 知识产权(IP) 原文定义：An original idea with can be used to earn money. 在超大规模集成电路中，拥有知识产权的设计单元可被视为一个独立得子模块。
• 设计IP 任何能让设计变得更好的革新或者技术。包括算法，技术，方法论。
• 硬IP 固定的硬件设计，每每性能是肯定的，例如一个电路板走线设计。
• 软IP 灵活的，性能不肯定，每每有某种程度的抽象，例如综合性HDL源代码。
• 固IP 介于硬IP和软IP之间。
• 水印 知识产权从属的标记。
• 基于约束的水印 将签名混合到问题中去，这致使问题的解会带上签名。
• 布尔方程水印 若是要隐藏1，则使F(a, b, c, d) = 1；若是要隐藏0，则使F(a, b, c, d) = 0 一般会给出两个DCC，隐藏01则让第一个DCC为0，第二个DCC为1。因此，给出的DCC是有顺序的。【问题】
• 编码器水印 1. 将全部DCC按大小排列，输入位数为floor(lg(DCC数量))，设为x。输出位数为y 2. 将要嵌入的水印转为二进制，并按(x+y)的整数倍补齐 3. 按从右到左的顺序补入DCC，略难描述。
• 图着色水印 1. 为图中的顶点加上序号 2. 将消息转为二进制，从左到右取位 3. 为每一个顶点寻找序号最小的两个不直接链接的顶点，若是要隐藏的位是1，则链接较大的那个，否则则链接较小的。
• 可靠性 credibility 不一样芯片水印发生碰撞的可能性应该很是小。
• 易检验性 easy detectability
• 弹性 resilience 水印不容易移除
• 透明度 水印方法必须公布，且设计软件可以帮助嵌入和检测
• 部分保护 水印技术能够只保护一部分设计，从而让水印针对某个IP进行保护
• 平等性 应该对全部设计者和签名都平等
• 零负担水印 1.首先不考虑水印，如常设计。2.寻找能够嵌入水印而不增长负担的地方。3.调整设计，嵌入水印。一般第二、3步会不断寻找、尝试、测试。
• 基于约束的水印 以及 公开水印 【是彻底没有看懂】
• 基于图分割问题得公开水印 将节点配对，如要隐藏1，则把该位置这对节点放在两边；如要隐藏0，则放在一边。由后往前。
• 指纹 水印标示着IP的全部人，指纹标示着IP实例的特征，其实就是个序列号。
• 基于图着色问题的指纹 利用DCC的结果不一样生成指纹。
• 硬件计量 使设计师能够控制生产中的IP保护，例如过量生产。水印没法防止过量生产，但指纹能够。
• ICID 芯片在制造中自带的随机ID，是因为生产过程当中的随机因素所产生的，属于被动标签，可用于指纹。

3、物理攻击

PA | 物理攻击 | Physical Attack
FIB | 聚焦离子束 | Focused Ion Beam
ASIC | 针对应用的集成电路 | Application-specific Intergrated Circuit
FIPS | 联邦信息处理标准 | Federal Information Processing Standard
ME | 模幂 | Modular Exponentiation

• PA： 物理攻击，
  
  
  • 须要：
  
  
  
  
  
  1. （直接的）芯片接触
  2. 信号线的接触（测量）
  3. 设备，工具，技能以及知识
  
  
  
  • 两个步骤：
  
  
  
  
  
  1. Interaction(互动),得到设备的物理特性
  2. Explotation （利用），得到秘密
  
  
  
  • 攻击者分类：
  
  
  
  
  
  1. Class I(Clever Outsiders)
  2. Class II(Knowledgeable insider)
  3. Class III（Funded Organizations）
• 密码分析： 数学性分析方式，寻找理论漏洞
• 侵入式攻击：Invasive Attack
  
  
  • 例子
    
    
    • 解封与逆向处理 Decapsulation and Deprocessing
    • 逆向工程 Reverse Engineering
    • 消除钝化与微探针 Depassivation and Microprobing
    • 芯片修改 Chip Modification
  • 工具
    
    
    • 焊接与脱焊
    • 化学药品
    • 高精度光学显微镜
    • 示波器，信号发生器
    • 接线、激光切割、微探针能力
    • 扫描型电子显微镜
    • FIB 工做站
  • 对策
    
    
    • 混淆走线
    • 数据加密
    • 隐藏数据总线
    • 外部设置传感器网络、自毁
• 非侵入式攻击： Non-invasive Attack
  
  
  • 例子
    
    
    • 旁路攻击
    • 蛮力
    • 数据剩磁 Data Remanence
    • 故障注入
  • 工具
    
    
    • 万用表
    • 通用编程芯片
• 半侵入式攻击：Semi-invasive Attack
  
  
  • 例子
    
    
    • 解封装与逆向处理
    • 成像
    • 故障注入
    • 旁路攻击分析
  • 工具
    
    
    • 紫外光以及激光光源
    • 显微镜
    • 计算机，以及FPGA板、面包板之类的
• 逆向工程：侵入式攻击。研究芯片内部构造及功能。花费高，基本与设计者要求至关。
• 微探针： Microprobing 侵入式攻击 在芯片表面进行观察，操做，干扰
• 故障生成： 半侵入式或是非侵入式，使芯片在极端条件下工做，致使失灵，而且泄漏信息，或者得到额外权限。对策：校验和、随机执行、冗余、故障侦测。
• 旁路攻击：非侵入式攻击。在正常工做时测量监控芯片的物理参数，经过分析数据获取信息。
• 软件攻击：非侵入式攻击。经过普通的I/O口，利用已知漏洞进行攻击。
• 数据剩磁：
  
  
  • 掉电、长时间存储、低温(-20°)冰冻后，数据可能存在SRAM中。
  • EEPROM和Flash中，写数据会影响电压
• 故障注入攻击：电源、温度、白光、激光、X射线、离子束、电磁
• 防篡改保护级别
  
  
  • 零 ZERO
    
    
    • 微处理器、经过外部存储器存储数据的FPGA
  • 低 LOW
    
    
    • 拥有内部存储功能的微处理器，存储功能有专利而没有被保护
  • 中低 MODL
    
    
    • 拥有保护的微处理器，可是对温度计电压敏感
  • 中 MOD
    
    
    • 微处理器的保护措施涵盖紫外线、ASIC、安全的存储芯片、SmartCard
  • 中高 MODH
    
    
    • 安全的FPGA，现代化的SmartCard、复杂的ASIC
  • 高 HIGH
    
    
    • 为CA研发的安全的加密模块、工业性以及银行性应用
• Diffie-Hellman 密钥交换：各自生成一个随机数X，计算a**x mod q 后交换结果，本身生成的随机数x即为密钥
• RSA算法 ： 太复杂了请谷歌
• 迭代式ME： 一个个相乘而后取模
• 开方相乘策略：square and multiply 计算a**x时，将x转换为二进制，而后从高位起逐个计算，讲起来也蛮复杂的。
• 蒙哥马利规约：太麻烦了请谷歌