Page 223 - 数码世界6月整本

技术交流
效率较低导致较长的采集时间，而且由于其探测器孔径 实验过程中，设定 AT89C52 微控制器的时钟频率为
较大也导致了较高的暗噪声，使其对外界干扰十分敏感； 12MHz。为验证密码芯片光辐射的操作依赖性和数据依
对于雪崩二极管而言，由于其孔径尺寸较小，能对集成 赖性，在开封后的 AT89C52 微控制器上执行如图 4 所示
电路的局部小区域进行探测，探测结果更加精确，大大 指令，通过计算机发送不同数据到 #LOW 单元改变微控
降低了信噪比，但其高的按电流和近红外区域灵敏度比 制器执行的数据。程序汇编代码前两指令是取出计算机
较低。对于现今集成度较高的半导体芯片，针对特定区 发送的数据到累加器 A 中。程序中异或指令（XRL）和
域进行比较精确的分析是十分必要的，所以实验我们选 条件转移指令（SJMP）各需要两个机器周期执行，其余
用雪崩二极管作为单光子探测器。 指令各需要一个机器周期执行，每个机器周期 1μs，测
2.3 依赖性分析 试程序周期共计 10μs。
密码芯片的光子辐射依赖于芯片执行的指令操作 4 实验分析
（操作依赖性）和处理的数据（数据依赖性），这两种
4.1 电压对光辐射影响
依赖性在分析密码芯片的秘密信息是十分重要的。密码
芯片的光辐射数量取决于晶体管翻转次数，因此，密码 实验过程中，让微控制器芯片执行相同指令、处理
芯片在执行不同的指令操作时，发生翻转的晶体管位置、 相同数据并采集相同时间间隔的光辐射信号，改变微
数目都有差异，导致发生光子辐射的时机不同；对于同 控制器工作电压，发现微控制器光辐射数量差异很大，
一指令执行不同数据时，发生翻转的晶体管数目不同， 电压越高，光辐射越高。对 AT89C52 微控制器进行的
导致其光子辐射数量也不同。根据这些差异能够体现出 一组实验表明，工作电压与光辐射是近似指数关系而
光辐射信息与操作和数据的依赖关系，找出这种依赖关 不是线性。
系就能够针对具体的算法进行光辐射攻击，进而可以通 4.2 操作依赖性分析
过对密码算法密钥进行假设，通过简单分析、差分分析 实验中微控制器执行图 4 所示指令，示波器从程序
等分析方法对具体密码算法进行分析。 CH2 给出上升沿触发（对应程序指令为 XRLP1，#08H 开始）
3 实验装置 开始采集接受单光子探测器给 CH1 的光辐射信息，示波
器将 10μs 的程序周期分为 1000 个通道（每隔 10μs
3.1 光电系统 记录一次），光子按照到达单光子探测器的时间分布在
实验选用硅基雪崩二极管作为探测密码芯片的单光 这 1000 个通道上。单光子探测器通过光纤对准微控制
子探测器，该硅基单光子探测器能够捕获 400nm-1060nm 器 SRAM 区域 R7 寄存器，采集 2h。发现各个指令执行过
波长的光子，其对可见光部分有较高的采集效率。实验 程中辐射的光子数是不相同的，说明密码芯片光辐射与
光电系统如图 1 所示，通过计算机控制被测设备进行工 指令操作有关。
作控制输入的数据，将单光子探测器探测端通过光纤光 4.3 数据依赖性分析
学连接到被测设备上，输出端连接到示波器 CH1 通道，
在某一时刻密码芯片光辐射情况不但依赖于指令，
将被测设备触发管脚连接到示波器 CH2 通道，为采集提
同时也依赖于被处理的数据，为获知微控制器处理不同
供同步信号，示波器采集数据通过 Labview 存储到计算
数据的光辐射特征，实验针对 AT89C52 微控制器 R7 寄
机中。
存器进行探测。实验每次改变 R7 寄存器值前将 R7 设置
3.2 被测设备 00，确保每次变换是从 00 翻转到某个数值的，而后分
要利用单光子探测器对安全芯片进行光辐射探测， 别将 R7 值改变为 00，01，03，07，0F，1F，3F，7F，
首先需要使密码设备内部芯片暴露出来。这里我们对 FF，对应寄存器 R7 晶体管依次翻转 0-8 位，对指令
ATMEL 公司生产 AT89C52 微控制器进行解封，它具有 8K MOVR7，通过观察可知当寄存器翻转位数越多辐射光子
字节的 Flash 程序存储器和 256 字节的内部数据存储器 数越多。
SRAM。
5 结语
通过分析芯片的基本结构，能够清楚地识别各部分
功能模块，能够标定出 SRAM、Flash 存储器、数据总线 本文针对执行 MOV 指令微控制器光辐射进行了操作
和地址总线等，为测量寻找采集位置提供帮助。本文主 和数据相关性分析，验证了光辐射与安全芯片内的相关
要利用单光子探测器对芯片内部 SRAM 区域内寄存器进 信息存在一定的依赖性，为后续使用光辐射分析方法分
行探测。 析具体的密码算法打下良好基础，同时证明了光辐射分
析对安全芯片构成了严重的威胁。
3.3 实验程序及软件

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