硬件木马检测与防护

第三方技术服务的普及使得在集成电路（IC）设计制造过程中,芯片可能被恶意植入“硬件木马”,给芯片的安全性带来了极大挑战,由此,如何检测“安全芯片”中是否存在硬件木马,确保芯片的安全性开始受到人们的广泛关注。在简要介绍硬件木马概念及其危害的基础上,分析硬件木马的特点和结构,介绍了当前现有的几种硬件木马检测技术,给出了硬件木马检测技术的科学分类,重点分析了这些检测方法所面临的问题和挑战并提出了相应的改进措施,总结了未来硬件木马防测技术的发展趋势。     

硬件木马检测与防护

第三方技术服务的普及使得在集成电路（IC）设计制造过程中,芯片可能被恶意植入“硬件木马”,给芯片的安全性带来了极大挑战,由此,如何检测“安全芯片”中是否存在硬件木马,确保芯片的安全性开始受到人们的广泛关注.在简要介绍硬件木马概念及其危害的基础上,分析硬件木马的特点和结构,介绍了当前现有的几种硬件木马检测技术,给出了硬件木马检测技术的科学分类,重点分析了这些检测方法所面临的问题和挑战并提出了相应的改进措施,总结了未来硬件木马防测技术的发展趋势.     

芯片级木马检测技术研究综述

集成电路在各个领域都具有极其重要的作用,但是在当今集成电路设计、制造、测试、封装各种环节相分离的产业模式下,用户所使用的芯片可能会被别有用心者植入硬件特洛伊木马电路,这给信息安全领域带来了严重威胁,芯片级硬件木马的检测技术已经成为了芯片安全研究领域的新热点。首先介绍了硬件木马的概念、危害以及分类方式;然后对硬件木马检测技术国内外有影响的研究成果进行了详细的总结和评述,着重阐述了目前比较有效的旁路分析方法,指出基于功耗指纹分析的硬件木马检测技术是当前最有前途的一种检测方法;最后简要总结了硬件木马的主动防御机制。     

硬件木马综述

集成电路在设计或制造过程中会受到硬件木马的攻击,使芯片与硬件的安全性受到威胁。硬件木马技术逐渐受到重视,已成为当今一个新的研究热点。文章介绍了硬件木马的概念,对三种主要的硬件木马分类方法进行了分析;着重探讨了硬件木马的检测方法。对检测方法存在的问题与面临的挑战进行了分析,指出基于旁路信号分析的硬件木马检测方法是当前最主要的一种检测方法。     

旁路信号主成分分析的欧式距离硬件木马检测

针对集成电路中的硬件木马问题,利用旁路信号分析技术,设计了一种基于集成电路芯片的硬件木马检测模型。在对提取出的旁路信号进行主成分分析降维基础上,运用欧式距离分类法进行硬件木马的分类识别和检测。最后运用功耗分析的方法进行了算法有效性验证。     

基于旁路分析的集成电路芯片硬件木马检测

针对密码芯片中硬件木马电路检测的困难性,介绍了根据芯片旁路信息进行硬件木马检测的思想．在形式化定义基于旁路分析的硬件木马检测问题的基础上,分析了含硬件木马与不含硬件木马的密码芯片对应旁路信号在主成份分析结果上的差异,并以此对FPGA实现的含硬件木马的DES密码原型芯片进行了检测实验,实验结果表明了基于旁路信号主成份分析在密码芯片硬件木马检测中的效果．     

基于温度特征分析的硬件木马检测方法

硬件木马是一种在特定条件下使集成电路失效或泄露机密信息等的恶意电路,给现代信息系统带来了严重的安全隐患。该文基于硬件木马在芯片工作之初造成的温度响应特征,提出一种利用芯片温度变化特性并进行比对的硬件木马检测方法。该方法采用环形振荡器作为片内温度特征测量传感器,提取温度变化特征信息,并采用曲线拟合评价指标来评估硬件木马对温度变化特征的影响,通过比对无木马芯片温度响应特征从而完成木马检测。通过对10个不同芯片的检测,结果表明该方法能够对面积消耗32个逻辑单元硬件木马的检测率达到100%,对16个逻辑单元检测概率也能达到90%;同时检测结果表明该方法完成硬件木马检测后,能够对硬件木马的植入位置进行粗定位。     

基于电磁辐射信号分析的芯片硬件木马检测

集成电路芯片在制造过程中可能被嵌入恶意硬件电路,形成硬件木马.提出一种新的利用芯片电磁旁路泄漏信息的硬件木马无损检测方法.对芯片表面进行区域划分,通过随机选优算法生成硬件木马测试向量集;利用基于负熵指标的投影寻踪技术将芯片高维旁路信号投影到低维子空间,在信息损失尽量小的前提下发现原始数据中的分布特征,从而实现芯片旁路信号特征提取与识别.针对示例性高级加密标准(AES-128)木马电路的检测实验表明,该技术可以有效分辨基准芯片与硬件木马测试芯片之间的电磁信号特征差异,实现硬件木马检测.     

一种低触发率的硬件木马设计

在当今的集成电路设计、制造过程中,用户使用的芯片可能被植入硬件木马电路,这给用户带来不可预估的危害,故硬件木马也成为近年来研究的热点问题.首先介绍了硬件木马的概念,进而引出了低触发率木马的特点,然后以乘法器为参考电路,分析了触发概率对原始电路面积、功耗的影响,最后验证了木马的有效性.     

基于投影寻踪分析的芯片硬件木马检测

提出一种利用芯片旁路泄漏信息的硬件木马无损检测方法,通过基于绝对信息散度指标的投影寻踪技术,将芯片运行过程中产生的高维旁路信号投影变换到低维子空间,在信息损失尽量小的前提下发现原始数据中的分布特征,从而实现芯片旁路信号特征提取与识别。针对示例性高级加密标准(AES-128)木马电路的检测实验表明,该技术可以有效分辨基准芯片与硬件木马测试芯片之间的旁路信号特征差异,实现硬件木马检测。     

一种面向粗粒度可重构阵列的硬件木马检测算法的设计与实现

硬件木马检测已成为当前芯片安全领域的研究热点,现有检测算法大多面向ASIC电路和FPGA电路,且依赖于未感染硬件木马的黄金芯片,难以适应于由大规模可重构单元组成的粗粒度可重构阵列电路。因此,该文针对粗粒度可重构密码阵列的结构特点,提出基于分区和多变体逻辑指纹的硬件木马检测算法。该算法将电路划分为多个区域,采用逻辑指纹特征作为区域的标识符,通过在时空两个维度上比较分区的多变体逻辑指纹,实现了无黄金芯片的硬件木马检测和诊断。实验结果表明,所提检测算法对硬件木马检测有较高的检测成功率和较低的误判率。     

基于区域分割技术的硬件木马检测方法

提出了一种基于区域分割技术的硬件木马检测方法,通过电路设计和检测相结合的方式,在电路内植入能生成多种测试向量的自测试模块,且不同测试向量可使目标区域电路内部节点在工作时具有高、低翻转率的差异,采用区域独立供电网络设计及门控时钟控制区域分时工作等方法,提高由硬件木马产生的侧信道数据在整体电路侧信道数据中所占的比重,使含有硬件木马电路的侧信道数据与正常数据差异明显,从而更易于鉴别隐藏于电路中的硬件木马.仿真测试结果表明,本方法最高可检测出占总体电路规模0.3％的时序逻辑型硬件木马,与传统的硬件木马检测方式相比,明显提高了硬件木马检测的分辨率.     

Security Against Hardware Trojan Attacks Using Key-Based Design Obfuscation

Malicious modification of hardware in untrusted fabrication facilities, referred to as hardware Trojan, has emerged as a major security concern. Comprehensive detection of these Trojans during post-manufacturing test has been shown to be extremely difficult. Hence, it is important to develop design techniques that provide effective countermeasures against hardware Trojans by either preventing Trojan attacks or facilitating detection during test. Obfuscation is a technique that is conventionally employed to prevent piracy of software and hardware intellectual property (IP). In this work, we propose a novel application of key-based circuit structure and functionality obfuscation to achieve protection against hardware Trojans triggered by rare internal circuit conditions. The proposed obfuscation scheme is based on judicious modification of the state transition function, which creates two distinct functional modes: normal and obfuscated. A circuit transitions from the obfuscated to the normal mode only upon application of a specific input sequence, which defines the key. We show that it provides security against Trojan attacks in two ways: (1) it makes some inserted Trojans benign, i.e. they become effective only in the obfuscated mode; and (2) it prevents an adversary from exploiting the true rare events in a circuit to insert hard-to-detect Trojans. The proposed design methodology can thus achieve simultaneous protection from hardware Trojans and hardware IP piracy. Besides protecting ICs against Trojan attacks in foundry, we show that it can also protect against malicious modifications by untrusted computer-aided design (CAD) tools in both SoC and FPGA design flows. Simulation results for a set of benchmark circuits show that the scheme is capable of achieving high levels of security against Trojan attacks at modest area, power and delay overhead.     

融入环形振荡器木马特征的无监督硬件木马检测

机器学习用于集成电路硬件木马的检测可以有效提高检测率。无监督学习方法在特征选择上还存在不足,目前研究工作主要集中于有监督学习方法。文章引入环形振荡器木马的新特征,研究基于无监督机器学习的硬件木马检测方法。首先针对待测电路网表,提取每个节点的5维特征值,然后利用局部离群因子(LOF)算法计算各节点的LOF值,筛选出硬件木马节点。对Trust-HUB基准电路的仿真实验结果表明,该方法用于网表级电路硬件木马的检测,与现有基于无监督学习的检测方法相比,TPR(真阳性率)、P(精度)和F(度量)分别提升了16.19%、10.79%和15.56%。针对Trust-HUB基准电路的硬件木马检测的平均TPR、TNR和A,分别达到了58.61%、97.09%和95.60%。     

一种基于压缩边界Fisher分析的硬件木马检测方法

针对物理环境下旁路分析技术对电路中规模较小的硬件木马检出率低的问题,该文引入边界Fisher分析(MFA)方法,并提出一种基于压缩边界Fisher分析(CMFA)的硬件木马检测方法。通过减小样本的同类近邻样本与该样本以及类中心之间距离和增大类中心的同类近邻样本与异类样本之间距离的方式,构建投影空间,发现原始功耗旁路信号中的差异特征,实现硬件木马检测。AES加密电路中的硬件木马检测实验表明,该方法具有比已有检测方法更高的检测精度,能够检测出占原始电路规模0.04%的硬件木马。     

基于多维结构特征的硬件木马检测技术

硬件木马是第三方知识产权(IP)核的主要安全威胁,现有的安全性分析方法提取的特征过于单一,导致特征分布不够均衡,极易出现较高的误识别率。该文提出了基于有向图的门级网表抽象化建模算法,建立了门级网表的有向图模型,简化了电路分析流程;分析了硬件木马共性特征,基于有向图建立了涵盖扇入单元数、扇入触发器数、扇出触发器数、输入拓扑深度、输出拓扑深度、多路选择器和反相器数量等多维度硬件木马结构特征;提出了基于最近邻不平衡数据分类(SMOTEENN)算法的硬件木马特征扩展算法,有效解决了样本特征集较少的问题,利用支持向量机建立硬件木马检测模型并识别出硬件木马的特征。该文基于Trust_Hub硬件木马库开展方法验证实验,准确率高达97.02%,与现有文献相比真正类率(TPR)提高了13.80%,真负类率(TNR)和分类准确率(ACC)分别提高了0.92%和2.48%,在保证低假阳性率的基础上有效识别硬件木马。     

用于预防硬件木马植入的协同自测功耗检测方法

针对现有内建自认证方法中核心占用率较高时存在冗余门的问题,提出了一种用于预防硬件木马植入的协同自测功耗检测方法。首先选择功能标准单元填满未使用的区域,接着采用路径规划算法对自测电路的标准单元进行分配优化,构建无冗余门的自测电路,然后将剩余的标准单元构成功耗检测电路。最后,对自测电路的输出签名和功耗检测电路的功耗进行检测,判断是否存在硬件木马。实验结果表明,与现有的内建自认证方法相比,该方法应用于具有较高核心占用率的电路后,不仅没有产生冗余门电路,还能有效检测并预防硬件木马的植入。