FPGA克隆技术研究（对加密密钥的攻击） - 全文

针对FPGA克隆技术展开研究，指出其关键问题在于对加密密钥的攻击，并以Xilinx公司7系列FPGA为列，讨论了采用AES-256 CBC模式解密条件下的攻击点函数选择方法，通过单比特功耗模型实施差分能量攻击，成功恢复了256 bit密钥。同时，针对不可直接代入密钥检验正确性的问题，设计了一种基于DPA攻击相关系数极性的检验方法，避免了密钥错误引起FPGA错误配置，实验表明，该方法能够有效消除相关系数的“假峰”现象。

0 引言

随着可编程技术的不断发展，FPGA已经成为各类商业系统的重要组成部分。然而，由于配置文件（比特流）必须存储在FPGA外部，通过窃取外部存储器后，攻击者可直接盗版生产，还可通过FPGA逆向工程（FPGA Reverse Engineering)获得硬件设计[1，2]或加入硬件木马[3，4]，对产品进行伪造和破坏，严重地威胁了用户知识产权。

为克服这一漏洞，Xilinx公司在ISE、Vivado等设计软件中增加AES-256 CBC加密配置方式，并在FPGA内部集成解密模块，从而防止硬件设计被克隆和伪造[5]。然而，这种方式并不完全可靠。2011年Moradi等人使用差分能量攻击(Differential Power Attack，DPA)恢复了Virtex-II Pro系列FPGA加密比特流所用3DES算法密钥[6]，引起了工业界的广泛关注。此后，使用AES-256算法加密的Xilinx 4系列和5、6、7系列FPGA分别于2012年[7]和2016年[8]被DPA攻击和差分电磁攻击(Differential Electromagnetic Attack，DEMA)攻破。

本文针对Xilinx 7系列FPGA实施能量攻击，从攻击和检验等两个角度对攻击效率进行了提升。首先根据Xilinx FPGA解密的实现方式，讨论了攻击点函数的选取方法，使用DPA攻击成功恢复了AES-256算法密钥，并基于相关系数极性设计了一种新的检验方法。

1 FPGA克隆技术

基于FPGA生产的商用产品，必须通过外部非易失存储器进行重新配置。而FPGA克隆则是通过非法手段获取比特流配置文件，配合FPGA逆向工具(如BIL[1]、FpgaTools[9])窃取其内部设计XDL/NCD网表的方法，具体流程如图1所示。

加密比特流结构如图2所示，使用HMAC算法生成认证码SHA256，并通过AES-256算法以CBC模式对SHA256、HMAC密钥kHMAC和配置信息加密；初始向量IV明文写入比特流中[5]。因此，密文存储时，FPGA克隆的关键在于AES密钥kAES的获取。

由于kAES保存于FPGA内部eFUSE中，一次性写入，外部无法读取[5]，而明文信息plaintext直接用于FPGA配置，同样无法获取，kAES的获取演变为唯密文攻击(Ciphertext-Only Attack，COA)。由于CBC模式具备很强的抗COA攻击能力，传统密码分析方法难以攻破，此时引入旁道攻击成为一种较为理想的方法，如图1所示。

2 能量攻击方法设计

2.1 能量攻击原理

2.1.1 攻击流程

能量攻击是最流行的旁道攻击方法，攻击者无须了解被攻击设备的详细知识，根据功耗的数据相关性，利用加密或解密时的能量迹即可恢复密钥，能量攻击流程如图3所示[10]，具体流程如下：

(1)选取攻击点

(4)计算假设功耗值

(6)结果检验

一般直接代入攻击所得密钥，使用新的分组数据加密或解密，从而验证攻击结果的正确性。

2.1.2 常用功耗模型及统计方法

针对硬件实现的密码设备，DPA攻击通常针对寄存器翻转功耗的数据相关性进行攻击[10]，根据统计方法不同，主要分为基于相关系数的CPA攻击和基于均值差的DPA攻击两种。

(1)基于相关系数的CPA攻击

其中，rij表示用第i个猜测密钥对能量迹上第j个点求得的均值差(下文统称相关系数)。

2.2 攻击点选取

2.2.1 CPA攻击

Xilinx FPGA中AES-256解密模块内部结构如图4所示[7]，寄存器中寄存每一轮的解密中间值，通过数据选择器控制进行新的分组解密或下一轮运算。

则第i次解密运算中，每轮运算结果可以表示为式(2)：

2.2.2 DPA攻击

考虑DPA攻击，采用单比特模型，为减少影响Δ的密钥长度，对Δ进行分割和化简如下：

则当被攻击的FPGA固定时，K13，K14均为定值，可得Δ1也为定值。则当采用单比特功耗模型进行攻击，可使用Δ2代替Δ，从而评估寄存器R中某一比特的翻转情况，具体分析如表1所示。

由表1可知，使用单比特模型实施DPA攻击时，所得的两组功耗集完全相同，只有极性相反，可以达到攻击目的，即攻击点函数为：

3 实验验证及分析

3.1 DPA攻击结果

3.2 攻击结果检验

DPA攻击通常采用直接代入密钥加/解密来检验攻击结果的正确性。然而，这种检验方法在FPGA克隆中并不适用，因为错误密钥解密得到的比特流可能导致FPGA功能失常，甚至毁坏[8]。为克服这一问题，本文设计了一种基于DPA攻击相关系数极性的检验方法。

4 结论

本文针对加密配置的FPGA克隆技术进行了研究，引入能量攻击，针对AES-256 CBC模式，设计了对应的DPA攻击方法；同时，针对FPGA不可直接代入验证的特殊情况，设计了一种基于DPA攻击相关系数极性的检验方法，为DPA攻击结果检验提供了一种新思路。