差分功耗分析概述

　　DPA是Cryptography Research公司（現在是Rambus公司的一個事業部）研究人員發明的一種使用統計分析技術的攻擊方法。它能幫助密碼破譯者通過分析電路功耗提取出密鑰，并獲取各種IC和防篡改器件中嵌入的安全信息。（欲觀看有關DPA的簡短視頻，請登錄http://www.cryptography.com/technology/dpa/dpa-video.html）。一種被稱為簡單功耗分析（SPA）的方法則沒那么復雜，它不使用統計運算技術。SPA和DPA攻擊都是非入侵式攻擊。這些攻擊無需目標電路知識就能自動執行。

　　在系統或芯片設計期間通過減少每個軟件或硬件操作之間一般都存在的功耗變化可以有效對付SPA和DPA攻擊。這樣，通過“水平化”功耗，SPA和DPA方法就無法判斷什么操作在進行，從而無法提取任何有用的信息。水平化功耗的一種方法是在功耗測量中增加不同類型的噪聲，從而模糊真實的功耗。另外，在芯片設計過程中加擾各種數據總線和地址線也能起到模糊真實功耗的作用。

　　由于密碼包含大量按位算術功能，分析代碼中的常數和記憶順序可以給黑客提示所使用的加密算法類型。通過在代碼執行期間對功耗波動應用統計分析技術，指令序列可以得到重構。這樣對隱藏操作的需求成為主要考慮因素。

　　隨機化技術也能應用到算法中，以便系統中操作的數據表現得更加隨機，但可以通過重構產生正確的結果。如果系統允許修改加密協議，那么還可以增加額外的對策，即在系統壽命期內通過修改協議來持續刷新和更新加密信息。

　　基本上我們可以運用老的類比法——如果你將安全想象為一條鏈，那么這條鏈實際上只是相當于最弱的鏈路（安全協議——加密技術——密鑰存儲）。每個領域都必須進行分析并防止入侵。

　　在系統中的芯片的物理設計過程中，應采用適當的電路和版圖方法防止芯片反向工程，因為反向工程能讓黑客重構電路并分析數據處理。像加擾片上數據總線和存儲器地址線等簡單方法就是一個好的起點。另外一些方案包括加密通常存儲在微控制器或專用安全控制器中的安全密鑰。

　　一旦使用強大的加密技術，那么密鑰存儲就成為最弱的鏈路。另外，許多系統可能將密鑰的多個拷貝存放在不同地點，但有些地點黑客可能會訪問到。為了排除這種攻擊方法，密鑰可以存儲在：

　　1） 在線的中央服務器中（但裝置昂貴，響應時間長）

　　2） 半在線（系統在啟動時接收密鑰，在運行期間密鑰通常保持在DRAM中）——這是一種不好的方案，因為DRAM可能被監視

　　3） 安全存儲密鑰拷貝的離線設備中

　　一般來說，密鑰對每個用戶來說都應不同（但這會要求許多不同的密鑰，因而密鑰產生電路應具有可擴展性）。密鑰還應能立即訪問（這與前一點相矛盾，并要求少量密鑰）。最好的替代方案是從主密鑰派生出用戶密鑰，并將主密鑰存儲在“保險庫”中。這樣能在遭遇入侵時保持業務的連貫性。

　　非入侵式攻擊的結果可能特別危險，因為受害系統的主人可能不會注意到密鑰已被偷竊，從而在密鑰被非法使用前無法足夠快速地使泄漏密鑰失效。其次，非入侵式攻擊不是非常明顯，因為必要設備（例如帶專用分析軟件的小型DSP板）通常可以適度低成本地生產，并且很容易更新為新的分析算法。

　　產生故障攻擊

　　在小故障攻擊方式中，黑客會故意產生故障并致使電路中的一個或多個邏輯單元翻轉為錯誤狀態。當這種現象發生時，黑客可以嘗試用幾乎任意一個不同指令代替單個重要的處理器指令。小故障還能用來破壞數據值，因為數據要在寄存器和存儲器之間傳送。

　　一共有4種可以用來創建只對安全處理器中的少數機器周期有影響的相當可靠的故障方法：外部電場瞬變、時鐘信號瞬變、電源瞬變以及在暴露芯片表面的激光照射。需要重點考慮的是黑客可能想用小故障代替的指令——條件跳轉或之前的測試指令。

　　小故障可能會在許多安全應用程序的處理過程中打開漏洞窗口。這種漏洞將允許黑客繞過加密障礙，方法是阻止那些警告系統有個認證企圖未成功的代碼的執行。

　　時鐘信號毛刺是目前能夠產生的最簡單、最實用的一種小故障。這種方法是增加像毛刺一樣的一些時鐘，臨時將時鐘頻率增加半個或半個多周期，這樣一些觸發器會試圖在新狀態到達前采樣它們的輸入。一些系統供應商聲稱他們的系統在時鐘信號處理邏輯中包含高頻檢測器。然而，黑客可以通過仔細選擇毛刺產生過程中的時鐘信號占空比避開這些檢測器。為了最大限度地減小系統危害，設計師可以在可能遭受攻擊的任何明顯的反應和關鍵操作之間插入隨機時延。產生內部時鐘信號的一種解決方案是創建一個由外部時鐘饋給的隨機位序列發生器。

　　針對入侵篡改檢測，清零機制可以在檢測到篡改時擦除秘密。因此對于能夠在電池支撐的SRAM中存儲秘密的較大安全模塊來說，歸零機制是一種高效的防篡改方法。