用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置和方法
2023-10-17 00:47:04
用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置和方法。用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置包括：電磁信號收集天線，用於接收安全設備所輻射的電磁輻射信號，將電磁輻射信號轉化為電信號；電磁信號補償模塊，用於分析該電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號；電磁信號補償天線，用於發射補償信號，以便對電磁輻射信號進行補償。本發明可以實現安全設備更好地抵抗電磁分析的攻擊。
【專利說明】用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及安全領域，尤其涉及一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]當密碼算法在一定的物理設備上實現時，可能洩露各種各樣的旁路信息，例如:運行時間、功率消耗、電磁輻射等等。攻擊者可以利用這些旁路信息中與密碼算法所使用的密鑰相關的部分來破解密碼系統。旁路攻擊就是利用密碼算法實現時洩露的旁路信息對密碼系統來實施破解的攻擊方法，例如時間分析攻擊、功耗分析攻擊以及電磁分析攻擊等。
[0003]其中，電磁分析攻擊作為針對密碼算法晶片特別是智慧卡晶片的最有效的旁路攻擊技術之一，對金融、安防等重要領域構成了威脅，其原理是:晶片工作過程中，邏輯信號的翻轉變化導致器件中產生充放電電流，連接器件的金屬導線上也會出現大小和方向實時變化的電流，從而引發向空間中輻射的電磁信號。而輻射的電磁信號的特性與晶片內部的邏輯信號是有關的，這就是晶片所洩露的電磁輻射方面的旁路信息。如果在晶片附近布置電磁感應探頭，即可檢測得到與內部計算相關的變化的電磁場。如果攻擊者可以採集得到大量的晶片洩露的電磁輻射數據樣本，就可能攻擊得到晶片內部的重要數據，例如安全加密過程中的密鑰。
[0004]目前並沒有特別針對電磁分析攻擊的防範手段。由於電路洩露功耗旁路信息與洩露電磁旁路信息的原理有所類似，所以用於抵抗功耗分析攻擊的隨機掩碼技術被寄希望於可以抵抗電磁分析攻擊。隨機掩碼技術的原理是:引入隨機數，在算法開始前使用隨機數與密鑰、明文進行某種操作，例如，異或操作，從而實現對密鑰以及明文的屏蔽保護。這樣，晶片執行安全算法過程中，涉及到的輸入數據以及中間數據都是經過隨機數屏蔽保護的，使得所洩露的功耗信息或電磁信息也是隨機的，攻擊者所能獲得的旁路信息也是隨機的，從而達到抵抗功耗分析攻擊或電磁分析攻擊的目的。
[0005]但是，電路洩露功耗旁路信息與洩露電磁旁路信息還是有所不同的。功耗分析攻擊實施者可以獲得的功耗旁路信息是整個晶片的功耗旁路信息，是晶片上所有電路功耗的總和，攻擊者無法區分功耗分配細節。而電磁分析攻擊實施者可以自由放置感應線圈的位置，可以獲得晶片上某一位置電路的電磁旁路信息。因此上述隨機掩碼技術有如下缺陷:電磁分析攻擊實施者可能找到一個位置，避開上述引入隨機掩碼的電路，實施有效的攻擊；由於電磁信號的特性，電磁分析攻擊實施者可以有選擇地使用感應線圈獲得某一頻率附近的電磁信號，過濾掉其他頻率的幹擾，從而提高攻擊的有效性；隨機掩碼技術以增加晶片面積為代價，且針對不同的安全算法，需要開發設計不同的掩碼技術方案，一方面增加了技術難度，另一方面又加長了設計時間。
[0006]因此，針對電磁分析攻擊的抵抗與防範是亟需解決的問題。
【發明內容】
[0007]本發明提供一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置和方法，用以實現安全設備更好地抵抗電磁分析的攻擊。
[0008]本發明提供一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置，包括:
[0009]電磁信號收集天線，用於接收所述安全設備所輻射的電磁輻射信號，將所述電磁輻射信號轉化為電信號；
[0010]電磁信號補償模塊，用於分析所述電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號；
[0011]電磁信號補償天線，用於發射所述補償信號，以便對所述電磁輻射信號進行補償。
[0012]本發明還提供一種安全設備，包括前述的用於安全設備的抗電磁分析攻擊的裝置。
[0013]本發明還提供一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的方法，包括:
[0014]採用電磁信號收集天線接收設備工作過程中所輻射的電磁輻射信號，將所述電磁輻射信號轉化為電信號；
[0015]分析所述電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號；
[0016]採用電磁信號補償天線發射補償信號，以便對所述電磁輻射信號進行補償。
[0017]本發明中，通過對安全設備輻射的電磁輻射信號進行轉化、特徵信息分析，並根據分析結果和補償策略生成補償信號，最後通過發射補償信號對安全設備工作過程中輻射的電磁輻射信號進行補償，從而實現對電磁輻射各種分析手段的防範，有效地抵抗電磁分析攻擊。另外，對於本發明的技術實現，設計者不需要針對不同的具體算法進行不同的設計更改，它可適用於各種不同的安全算法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置實施例的結構示意圖；
[0019]圖2為本發明用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置實施例中電磁信號收集天線或電磁信號補償天線與晶片位置關係的示意圖；
[0020]圖3為本發明對晶片電磁輻射能量進行補償的裝置的具體實例示意圖；
[0021]圖4為本發明對晶片電磁輻射能量進行補償的裝置的另一個具體實例示意圖；
[0022]圖5為本發明用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的方法實施例的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。
[0024]如圖1所示，為本發明的用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置實施例的結構示意圖，該裝置可以包括:電磁信號收集天線11、電磁信號補償模塊12和電磁信號補償天線13，電磁信號補償模塊12與電磁信號收集天線11連接，電磁信號補償天線13與電磁信號補償模塊12連接。
[0025]在本實施例中，電磁信號收集天線11用於接收安全設備所輻射的電磁輻射信號，將電磁輻射信號轉化為電信號；電磁信號補償模塊12用於分析該電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號；電磁信號補償天線13用於發射補償信號，以便對電磁輻射信號進行補償。
[0026]在本實施例中，電磁信號補償模塊12分析電信號的特徵信息，並根據分析結果和補償策略，生成電磁信號補償天線13發射的補償信號，電磁信號補償天線13發射補償信號，實現對電磁輻射信號進行補償。經過補償可以掩蓋相關的電磁輻射情況，使實施電磁分析攻擊的攻擊者不易獲得或者獲得沒有意義的電磁輻射信號，這樣攻擊者就不能找到有效攻擊的位置或有選擇的獲取電磁輻射信號，使得安全設備更好地抵抗電磁分析攻擊。
[0027]此外，本實施例中通過對不同電信號的特徵信息的分析，可以實現對不同安全算法下的電磁輻射信號進行補償，且不必加大安全設備的使用面積，使設計者不用針對不同的電磁輻射情況設計不同的技術方案，從而簡化技術難度、縮短設計時間。
[0028]可選地，轉化後的電信號可以是幅度隨接收到的電磁輻射信號能量變化的電壓信號，也可以是幅度隨接收到的電磁輻射信號能量變化的電流信號。
[0029]可選地，電信號的特徵信息具體可以為與電信號的能量、頻率或相位相關的特徵信息。
[0030]可選地，電磁信號補償模塊12獲得電磁信號收集天線11處理的電信號，電磁信號補償模塊12分析該電信號的能量信息，可得到設備工作時向外部空間輻射的電磁輻射信號的能量隨時間的變化情況。
[0031]可選地，電磁信號補償模塊12可以分析電磁信號收集天線11處理的電信號的頻率特性，得到設備工作時向外部空間輻射的電磁輻射信號中的和頻率相關的特徵信息。例如，電磁輻射信號在頻譜上的能量分布情況。又例如，電磁輻射信號在某個特定頻率附近的能量信息。
[0032]可選地，電磁信號補償模塊12可以分析電磁信號收集天線11處理的電信號的相位特性，得到設備工作時向外部空間輻射的電磁輻射信號中的和相位相關的特徵信息。例如，電磁輻射信號在某個特定頻率附近的相位變化情況。
[0033]可選地，特徵信息具體可以為電磁輻射信號的能量信息，電磁信號補償模塊12根據該電磁輻射信號的能量信息，生成電磁信號補償天線13發射的補償能量的信號，使設備總體電磁輻射信號的能量維持穩定。
[0034]可選地，特徵信息具體可以為電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息，電磁信號補償模塊13根據該電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息，生成電磁信號補償天線14發射的補償信號，使得設備總體電磁輻射信號在該特定頻率附近的能量輻射情況維持穩定。
[0035]可選地，特徵信息具體還可以為電磁輻射信號在頻譜上的能量分布信息，電磁信號補償模塊12根據該電磁輻射信號在頻譜上的能量分布信息，生成電磁信號補償天線13發射的多種頻率的補償信號，使得設備總體電磁輻射信號在頻譜上的分布情況隨著時間的變化維持穩定。
[0036]可選地，特徵信息具體還可以為電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息和相位信息，電磁信號補償模塊12根據該電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息和相位信息，生成電磁信號補償天線13發射的與特定頻率附近能量相當、相位相反的補償信號，使補償信號與原電磁輻射信號發生幹涉作用，消減電磁輻射信號在特定頻率附近的能量輻射。
[0037]可選地，在本實施例中，安全設備具體可以為安全晶片，電磁信號收集天線11和/或電磁信號補償天線13可以布置在安全晶片的外表面或任意金屬層，例如:晶片的頂層金屬層、第二層金屬層或第三層金屬層等等，也可以布置在設備的不同區域以及其外圍。
[0038]如圖2所示，為本發明用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置實施例中電磁信號收集天線或電磁信號補償天線與晶片位置關係的示意圖，如圖2(a)所示，電磁信號收集天線11布置於晶片的外圍用來收集整個晶片的電磁輻射情況，電磁信號補償天線13布置於晶片的外圍可以對整個晶片的電磁輻射情況進行補償；
[0039]可選地，電磁信號收集天線11的數量大於或等於兩個，分別布置在安全設備的同一個區域內或不同的區域內；和/或，電磁信號補償天線13的數量大於或等於兩個，分別布置在安全設備的同一個區域內或不同的區域內。這是由於不同的電磁信號收集天線11收集不同的電磁輻射信號，例如能量、頻率、相位等不同的電磁輻射信號；不同的電磁信號補償天線13發射不同的電磁輻射信號，用以實現對不同的電磁輻射情況進行補償，例如對能量、頻率、相位的補償等。如圖2(b)所示，可以在晶片的不同區域上布置不同的電磁信號收集天線與補償天線，其中，對於高級加密標準(Advanced Encrypt1n Standard,簡稱:AES)算法電路，電磁信號收集天線11主要收集AES算法電路在工作時的電磁輻射信號，則電磁信號補償天線13負責對AES算法電路在工作時的電磁輻射情況進行補償；同樣的，對於RSA算法電路，電磁信號收集天線11主要收集RSA算法電路在工作時的電磁輻射信號，電磁信號補償天線13負責對RSA算法電路在工作時的電磁輻射情況進行補償。
[0040]在本實施例中，可選地，該安全設備還可以包括信號放大電路，連接在電磁信號收集天線11與電磁信號補償模塊12之間，將接收到的微弱的電磁輻射信號放大，便於後面電路進一步處理。
[0041]可選地，該安全設備還可以包括濾波電路，連接在電磁信號收集天線11與電磁信號補償模塊12之間，濾除某些頻率範圍內的無關信號，只保留與系統相關的頻率範圍內的電磁福射信號。
[0042]在本實施例中，可選地，還可以包括電磁輻射信號屏蔽裝置，可以布置在安全設備的特定區域，在設備頂層布置金屬層或金屬線網絡層，以減少設備的電路在工作過程中輻射到外部空間的電磁輻射信號。
[0043]如圖3所示，為本發明對晶片電磁輻射能量進行補償的裝置的具體實例示意圖，電磁信號補償模塊12對電磁信號收集天線11輸出的電信號進行分析後，很容易得到晶片電磁輻射能量變化曲線，如圖3中實線所示，如果沒有進行電磁信號補償，實施電磁攻擊的攻擊者可以探測得到該能量變化，並可以據此實施有效的分析手段實現對晶片的成功攻擊。
[0044]使用本發明的裝置後，根據分析結果，電磁信號補償模塊12可以實時改變生成的由電磁信號補償天線13發射的補償信號，從而使晶片周圍的電磁輻射的總能量維持在穩定的水平，如圖3中虛線所示。經過補償之後的電磁輻射情況完全掩蓋了與計算時間、加密算法和加密密鑰有關的電磁輻射情況。這樣，無論實施電磁分析攻擊的攻擊者進行多少次攻擊，其接收到的電磁輻射情況也將基本維持在一個相對穩定的水平，其分析難度大大增加。
[0045]如圖4所示，為本發明對晶片電磁輻射能量進行補償的裝置的另一個具體實例示意圖，如圖4(a)中實線所示，電磁信號補償模塊12對電磁信號收集天線11所收集的信號進行分析後，可以得到晶片電磁輻射信號的在頻率fl上的能量變化曲線。如圖4(b)中實線所示，電磁信號補償模塊12對來自電磁信號收集天線11的信號進行分析後，可以得到晶片電磁輻射信號的在頻率f2上的能量變化曲線。如果沒有進行電磁輻射信號補償，實施電磁攻擊的攻擊者可以探測得到該頻率上的能量變化，並可以據此實施有效的分析手段以實現對安全晶片的成功攻擊。
[0046]使用本發明的裝置後，根據分析結果，電磁信號補償模塊12可以實時改變生成的由電磁信號補償天線13發射的補償信號，甚至可以是多個電磁信號補償天線13的組合，從而使晶片周圍的電磁輻射信號在頻率fl上的能量維持在El的水平，如圖4(a)中虛線所示；同時使得晶片周圍的電磁輻射信號在頻率f2上的能量維持在E2的水平，如圖4(b)中虛線所示。在晶片的整個工作過程中，始終對電磁輻射進行此種補償，與頻率fl以及頻率f2相關的電磁輻射能量基本維持穩定，使得與頻率fl以及頻率f2相關的計算信息可以被完全掩蓋。經過補償之後，晶片的電磁輻射完全掩蓋了其在特定頻率上的相關信息。這樣，實施電磁分析攻擊的攻擊者分析得到的電磁輻射情況將無法洩露特性頻率上的有關信息，使得其分析難度大大增加。
[0047]可選地，可以對不同頻率上的電磁輻射情況使用不同或相同的補償策略。
[0048]可選地，可以只對某一頻段的電磁輻射情況使用電磁補償技術，而對其他頻段不使用電磁補償技術。
[0049]本發明還提供一種安全設備的實施例，該安全設備可以包括上述的用於安全設備的抗電磁分析攻擊的裝置實施例中的任一單元和模塊，在此不再贅述。
[0050]如圖5所示，為本發明用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的方法實施例的流程示意圖，可以包括如下步驟:
[0051]步驟51、採用電磁信號收集天線接收設備工作過程中所輻射的電磁輻射信號，將電磁輻射信號轉化為電信號；
[0052]步驟52、電磁信號補償模塊分析該電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號；
[0053]步驟53、採用電磁信號補償天線發射該補償信號，以便對電磁輻射信號進行補償。
[0054]在本實施例中，電磁信號補償模塊對轉化後的電信號進行特性分析，根據分析結果和補償策略生成補償信號，然後由電磁信號補償天線將補償信號發射出去，由此可以使得設備在工作過程中外圍的電磁輻射信號得到相應的補償，從而掩蓋相關的電磁輻射情況，使得攻擊者找不到有效攻擊的位置或不能有選擇的得到電磁輻射信號。
[0055]在本實施例中，設計者還可以根據分析不同電信號的特徵信息，實現不同安全算法下的電磁輻射信號的補償，不需要針對不同的具體算法進行不同的設計更改，從而簡化技術難度、縮短設計時間。
[0056]可選地，在步驟51中，轉化後的電信號可以是幅度隨接收到的電磁輻射信號能量變化的電壓信號，也可以是幅度隨接收到的電磁輻射信號能量變化的電流信號。
[0057]可選地，在步驟51中，電信號的特徵信息具體為與電信號的能量、頻率或相位相關的特徵信息。
[0058]可選地，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析電信號的能量信息，得到設備工作時向外部空間福射的電磁福射信號的能量隨時間的變化情況。
[0059]可選地，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析電信號的頻率特性，得到設備工作時向外部空間輻射的電磁輻射信號中的和頻率相關的特徵信息。例如，電磁輻射信號在頻譜上的能量分布情況。又例如，電磁輻射信號在某個特定頻率附近的能量信息。
[0060]可選地，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析電信號的相位特性。例如，電磁輻射信號在某個特定頻率附近的相位變化情況。
[0061]可選地，特徵信息具體可以為電磁輻射信號的能量信息，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析該電磁輻射信號的能量信息，生成補償信號，在步驟53中發射補償信號，使設備總體電磁輻射信號的能量維持穩定。
[0062]可選地，特徵信息具體可以為電磁輻射信號的特定頻率附近的能量信息，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析該電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息，生成補償信號，在步驟53中發射補償信號，使得設備總體電磁輻射信號在特定頻率附近的能量輻射情況維持穩定。
[0063]可選地，特徵信息具體還可以為電磁輻射信號在頻譜上的能量分布信息，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析該電磁輻射信號在頻譜上的能量分布信息，生成步驟53中發射的多種頻率的補償信號，使得設備總體電磁輻射信號在頻譜上的分布情況維持穩定。
[0064]可選地，特徵信息具體可以為電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息和相位信息，在步驟52中，電磁信號補償模塊分析該電磁輻射信號在特定頻率附近的能量信息和相位信息，生成與特定頻率附近的能量相當、相位相反的補償信號，在步驟53中發射補償信號，使補償信號與原電磁輻射信號發生幹涉作用，消減電磁輻射信號在特定頻率附近的能量福射。
[0065]可選地，在本實施例中，安全設備具體可以為安全晶片，步驟51中的電磁信號收集天線和/或步驟53中的電磁信號補償天線可以布置在安全晶片的外表面或任意金屬層，例如:晶片的頂層金屬層、第二層金屬層或第三層金屬層等等，也可以布置在設備的不同區域以及其外圍。
[0066]可選地，步驟51中的電磁信號收集天線的數量大於或等於兩個，分別布置在安全設備的同一個區域內或不同的區域內；和/或，步驟53中的電磁信號補償天線的數量大於或等於兩個，分別布置在安全設備的同一個區域內或不同的區域內。
[0067]最後應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的裝置，其特徵在於，包括: 電磁信號收集天線，用於接收所述安全設備所輻射的電磁輻射信號，將所述電磁輻射信號轉化為電信號； 電磁信號補償模塊，用於分析所述電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號； 電磁信號補償天線，用於發射所述補償信號，以便對所述電磁輻射信號進行補償。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述電信號的特徵信息具體為與所述電信號的能量、頻率或相位相關的特徵信息。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述安全設備具體為安全晶片，所述電磁信號收集天線和/或所述電磁信號補償天線布置在所述安全晶片的外表面或任意金屬層。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述電磁信號收集天線的數量大於或等於兩個，分別布置在所述安全設備的同一個區域內或不同的區域內；和/或 所述電磁信號補償天線的數量大於或等於兩個，分別布置在所述安全設備的同一個區域內或不同的區域內。
5.一種安全設備，包括權利要求1-4任一所述的用於安全設備的抗電磁分析攻擊的裝置。
6.一種用於安全設備的抵抗電磁分析攻擊的方法，其特徵在於，包括: 採用電磁信號收集天線接收設備工作過程中所輻射的電磁輻射信號，將所述電磁輻射信號轉化為電信號； 分析所述電信號的特徵信息，根據分析結果和補償策略，生成補償信號； 採用電磁信號補償天線發射所述補償信號，以便對所述電磁輻射信號進行補償。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述電信號的特徵信息具體為與所述電信號的能量、頻率或相位相關的特徵信息。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述安全設備具體為安全晶片，所述電磁信號收集天線和/或所述電磁信號補償天線布置在所述安全晶片的外表面或任意金屬層。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述電磁信號收集天線的數量大於或等於兩個，分別布置在所述安全設備的同一個區域內或不同的區域內；和/或 所述電磁信號補償天線的數量大於或等於兩個，分別布置在所述安全設備的同一個區域內或不同的區域內。
【文檔編號】H04L29/06GK104168279SQ201410406528
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】譚洪賀, 陳世柱, 蘇鵬, 王曉軒 申請人:昆騰微電子股份有限公司