基于FPGA平臺的抗DPA攻擊電路級防護技術研究
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近年來，現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)由于其高性能、低價格、高開發(fā)速度、方便的編程方式等特點得到了廣泛的應用。但對FPGA進行DPA(Differential Power Analysis，差分功耗分析)攻擊已經(jīng)成為FPGA應用中信息安全的主要威脅之一，受到了廣泛的關注。
DPA是SCA(Side Channel Attacks，旁路攻擊)技術的一種，其攻擊思想為：以電路的功耗特性為基礎，利用功耗與內(nèi)部密鑰的關系，將大量采樣到的包含該內(nèi)部密鑰運算的功耗波形數(shù)據(jù)根據(jù)所猜測的密鑰進行劃分，使得所劃分的兩部分具有不同的功耗特性。最后，對兩部分的功耗數(shù)據(jù)相減得到功耗差分曲線，如果猜測正確，差分曲線將出現(xiàn)明顯的尖峰。
因此，進行DPA攻擊的根本原因是電路邏輯表示的不對稱性引起的。本文將應用FPGA的自身結構特點，結合目前常用的抗DPA攻擊的電路級防護技術，深入研究與分析在FPGA平臺上實現(xiàn)針對DPA攻擊的電路級防護技術。
1 FPGA上的電路防護技術
1．1 FPGA的底層結構
FPGA的簡化結構如圖1所示。FPGA內(nèi)部最主要的、設計工程中最需關注的部件是CLB(Configurable Logic Block，可配置邏輯塊)，IOB(Input／Output Block，輸入／輸出塊)，Block RAM(塊RAM)、DCM(Digital Clock Manager，數(shù)字時鐘管理器)和Multiplier(乘法器)。其中CLB是FPGA具有可編程能力的主要承擔者，Virtex-5的一個slice的主要組成單元包括4個6輸入查找表、4個觸發(fā)器和若干個選擇器。
1．2 雙軌電路技術的實現(xiàn)
雙軌電路技術是指無論是輸入還是輸出都是用兩根線來表示的。由圖2可見，在SDDL與門中，信號A就由A和
共同表示，而輸出Z也由Z和
表示。在這種表示下，一個變量可以有4種不同的邏輯值(0，0)，(0，1)，(1，0)以及(1，1)。SDDL將(0，1)和(1，0)分別用來表示邏輯0和邏輯1。這樣電路內(nèi)部的邏輯0和邏輯1就變成了對稱的，從而使得各自的功耗相同。另外，邏輯門還引入了一個prch預充電信號。在prch有效的情況下，輸出是(O，0)，這個值也就是變量為預充電時在電路中的表示方式。電路的工作分為兩個狀態(tài)：運算狀態(tài)和預充電狀態(tài)。這兩個狀態(tài)交替更換，也就是在prch上加載一個固定周期的脈沖。如此一來，電路中變量值的變化就是(0，O)到(O，1)或(1，O)，或者是(0，1)或(1，0)到(O，0)，每次翻轉都是只有一根信號線進行翻轉。邏輯O和邏輯1達到了完全的平衡。
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