28、温度侧信道与加热故障攻击及故障注入参数搜索策略

最新推荐文章于 2025-11-06 08:27:07 发布

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分类专栏：智能卡安全前沿探秘文章标签：温度侧信道加热故障攻击故障注入

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温度侧信道与加热故障攻击及故障注入参数搜索策略

温度侧信道与加热故障攻击

在安全研究领域，温度侧信道与加热故障攻击是重要的研究方向，涉及到对设备安全性的深入探索。

温度泄漏特征研究

对Microchip Technology的8位PIC16F84微控制器的温度泄漏进行了研究。采用与之前描述相同的测量设置，使用PT100元件在芯片去封装的背面测量温度。针对ADD指令，向之前初始化为零的所有内部寄存器添加0x00或0xFF。测量500条轨迹并进行平均以减少噪声。
- 当连续10秒写入零值，随后10秒写入0xFF时，在采集窗口的后半段温度升高，前半段无泄漏。
- 当在最初10秒写入0xFF，之后写入零时，温度先缓慢升高，10秒后又降低。

热传导与攻击可能性

热量能穿透不同材料，因此在攻击中可以利用CMOS设备的热导率，即使存在电磁屏蔽对策（如金属板、电源线网格、传感器等），热量仍可传导，为攻击提供了可能。

温度对功耗分析攻击的影响

A. Vijaykumar在其硕士论文中探讨了温度对功耗分析攻击的影响。她评估了温度变化对差分功耗分析（DPA）攻击的影响，通过针对KeeLoq和DES进行研究，发现随着温度升高，由于功耗方差减小，DPA的效率会降低。

热攻击对CMOS设备的影响

对CMOS设备进行加热或冷却，不仅会改变存储器的特性，还会改变逻辑特性。热攻击甚至可用于绕过一些对策实现，例如通过增加或降低看门狗实现的阈值电压。

静态功耗泄漏与温度攻击的适用性

随着CMOS技术的不断缩小，静态功耗变得越来越重要。未来需要研究间接利用静态功耗泄漏的温度攻击的适用性。密码实现中间值的静态泄漏会在基带中产生直流偏移信号，可在从温度或声学等侧信道获取极低带宽泄漏的攻击中加以利用。

利用故障攻击CRT - RSA

在RSA解密实现中，使用中国剩余定理（CRT）可以加速计算。在特定场景下，攻击者能够向卡提供使用教科书RSA加密的输入，并接收解密后的消息，还能干扰解密计算并获取故障计算结果。
- 相关定义：设RSA模数n = pq（p和q是两个大素数），d为私钥，e = d⁻¹ mod ϕ(n)为相应的公钥指数。z = CRT (x, y)表示从子组Zp和Zq的值x、y重组值z ∈ Zn，其中CRT (x, y) = xcp + ycq mod n，cp = q (q⁻¹ mod p)，cq = p (p⁻¹ mod q)。
- 故障攻击原理：Boneh等人提出的故障攻击，通过注入随机故障Δ，使设备输出值˜S而不是S。如果攻击者同时获得错误的˜S和正确的签名S，可通过计算p = gcd( ˜S - S, n)轻松分解模数n。

以下是一个简单的流程图，展示了利用故障攻击CRT - RSA的过程：

graph TD;
    A[攻击者提供加密输入] --> B[设备进行解密计算];
    B --> C{是否注入故障};
    C -- 是 --> D[输出错误结果˜S];
    C -- 否 --> E[输出正确结果S];
    D --> F[攻击者获取˜S和S];
    E --> F;
    F --> G[计算p = gcd( ˜S - S, n)];
    G --> H[分解模数n];

故障注入参数搜索策略

在嵌入式安全设备，特别是智能卡的安全领域，故障分析是一个严重的威胁。而如何选择有效的故障注入参数是一个具有挑战性的问题。

智能卡面临的安全威胁

智能卡已经在我们的生活中存在了三十年，并且越来越普及。然而，这些小设备面临着多种安全威胁，对各种攻击的有效对策是当前广泛研究的主题。
- 篡改技术分类：
- 被动技术：监测一些侧信道信息，不干扰卡的正常处理，如功耗分析、电磁辐射分析。
- 主动技术：不仅监测设备，还通过外部干扰影响设备的正常行为，如故障注入（FI），干扰方式包括光学（激光脉冲）、电气（电压、时钟）、温度变化、电磁辐射等，可导致设备故障，在某些情况下可用于恢复密钥。

故障注入攻击的挑战

故障注入攻击成功的关键在于精确调整外部干扰参数。例如，对时钟信号故障的完整表征需要安全分析师定义超过10个参数。硬件设计师会引入对策防止故障注入攻击，使得找到正确的参数设置是一个高度不确定的过程。
- 搜索空间大：考虑故障注入涉及的电压、时序、偏移等所有可能的参数组合，搜索空间过大，无法进行穷举搜索。例如，仅电压（VCC）故障注入就有8个参数，测试6个值的组合就有6⁸ = 1676916种，按每秒一次测量计算，需要超过19天。
- 黑盒测试困难：安全分析师通常对设备内部设计了解有限（黑盒测试），准确设置参数范围具有挑战性，错误的范围估计会导致大量无效的测试。

温度侧信道与加热故障攻击及故障注入参数搜索策略

新型参数搜索策略的提出

鉴于传统方法在寻找故障注入正确参数方面的局限性，需要一种新的方法论来进行参数搜索，以实现更有效的安全评估。

搜索策略的探索

为了找到合适的参数，研究者提出了几种可能性，并在不同的现成设备上进行了测试，取得了不同程度的成功。主要探索方向包括：
- 基于通用假设的搜索策略：开发了一种特别针对当前大量设备的搜索策略，该策略基于常见假设并定义了新的模型。这种策略经过验证，对一些最先进的防故障攻击保护设备也非常有效。
- 基于通用算法的新方向：还研究了基于通用算法的新方向，这种方法在对被攻击设备了解较少的情况下很适用。

新型策略的优势

与传统的穷举搜索方法相比，新型搜索策略具有显著优势：
- 节省时间：避免了在大量无效参数组合上浪费时间，能够更快速地找到可能导致成功故障注入的参数配置。
- 适应性强：无论是对已知设计的设备还是黑盒测试中的未知设备，都能提供有效的搜索途径。

以下是新型参数搜索策略与传统穷举搜索的对比表格：
| 搜索方法 | 特点 | 时间成本 | 适用性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 传统穷举搜索 | 遍历所有可能的参数组合 | 高，可能需要很长时间 | 仅适用于搜索空间较小的情况 |
| 新型搜索策略 | 基于假设和通用算法，缩小搜索范围 | 低，能快速定位有效参数 | 适用于各种类型的设备，尤其是黑盒测试 |

下面的mermaid流程图展示了新型参数搜索策略的基本流程：

graph LR;
    A[定义参数范围] --> B[选择搜索算法];
    B --> C[进行参数搜索];
    C --> D{是否找到有效参数};
    D -- 是 --> E[使用有效参数进行故障注入];
    D -- 否 --> F[调整搜索算法或参数范围];
    F --> C;

总结与展望

在当今数字化时代，设备的安全性至关重要，尤其是智能卡等嵌入式安全设备。温度侧信道与加热故障攻击以及故障注入参数搜索策略的研究，为我们揭示了设备安全面临的潜在威胁，同时也提供了应对这些威胁的方法。

研究成果总结

在温度侧信道与加热故障攻击方面，我们了解到温度变化会对设备的功耗分析攻击产生影响，热攻击还可能绕过一些安全对策。此外，利用温度泄漏和故障攻击可以对RSA等加密算法进行破解。
在故障注入参数搜索策略方面，我们认识到传统的参数设置方法存在搜索空间大、黑盒测试困难等问题，而新型的搜索策略能够更高效地找到有效参数，提高了故障注入攻击的成功率，同时也为设备的安全评估提供了更有效的手段。