伴随着电子信息技术和半导体集成电路产业的快速发展,物联网技术使大众的生活走向智能和便捷,人与智能设备、设备与设备之间的信息交互变得越来越频繁。轻量级密码算法技术能够在消耗较少资源损耗的情况下实现信息加密,因此被广泛应用于物联网设备中,但迅速发展的功耗攻击技术已对物联网信息安全产生了严重的威胁。在此形势下,研究兼具低功耗和良好防护能力的密码算法电路的实现方法对物联网安全产业的发展具有重大的意义。本文在分析国内外相关研究成果的基础上,将近年来备受关注的具有非易失、低功耗特性的磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)器件引入了轻量级密码算法的电路级防护设计。参照经典的敏感放大器逻辑(Sense Amplifier Based Logic,SABL)防护单元结构并结合MTJ器件自身的特点,提出了具备抗攻击性能的MTJ/CMOS存储内逻辑新型基本电路元件结构,并在Cadence环境中使用SMIC 40nm CMOS工艺库和MTJ的Verilog-A模型,构建了所提出的电路元件模型。在不改变原始算法电路结构的前提下,使用新的MTJ/CMOS电路元件建立了PRESENT-80和Piccolo-80这两种典型轻量级加密算法的完整电路模型,并通过混合仿真验证了其功能的正确性。为了评估新结构电路的安全性和整体性能,在Cadence仿真环境中针对加密算法电路模型设计了一套自动化的功耗采集平台,通过自动化仿真流程获取模拟加密过程的大量功耗信息。以破解加密中使用的密钥信息为目标,利用得到的功耗数据进行了相关性功耗分析(Correlation Power Analysis,CPA)攻击实验。除此之外,还对加密电路的功耗和面积水平进行了分析评估。最终的实验和分析结果表明,使用本文提出的MTJ/CMOS存储内逻辑结构电路元件进行密码算法电路设计,能够很好的消除加密过程中数据和功耗的相关性,抵御功耗分析攻击。与传统的电路级防护单元相比,MTJ/CMOS存储内逻辑结构在实现同等水平的防护效果的同时具有更低的功耗,并且在面积消耗方面没有明显的劣势。各项结果均表明MTJ/CMOS存储内逻辑结构应用于密码电路硬件设计中存在一定的优势。
随着信息时代的到来,电子信息技术越来越成熟,物联网(Internet of Things,Io T)技术已经在社会生活的各个领域中广泛应用。物联网在使生活更加方便快捷的同时,也埋下了诸多安全隐患。嵌入式设备是物联网应用系统的重要媒介,它们大多是...
详细信息
随着信息时代的到来,电子信息技术越来越成熟,物联网(Internet of Things,Io T)技术已经在社会生活的各个领域中广泛应用。物联网在使生活更加方便快捷的同时,也埋下了诸多安全隐患。嵌入式设备是物联网应用系统的重要媒介,它们大多是采用电池供电并且对待机时长有严苛的要求,对功耗有着严格的限制。基于以上,针对适应极端功耗环境的安全轻量级密码算法的研究工作具有重要的意义。磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)是一种新型的自旋电子器件,具有非易失性、高速度读写数据等良好性能,并且容易集成到CMOS电路中。此外,磁隧道结的低泄漏功率特性,使其在低功耗密码算法电路设计研究中具有广阔前景。因此,本文采用MTJ/CMOS混合型架构设计轻量级密码算法电路,探索在不削弱电路抗功耗攻击能力的前提下能进一步降低电路功耗的实现方案,该研究对于轻量级密码算法的发展有深远的意义。功耗分析攻击作为当今主流的密码破解方法,对密码算法的安全性有着极大的威胁。为了在芯片设计阶段快捷评估密码芯片的安全性,论文分别搭建了门级和电路级功耗采集和攻击平台。在门级,基于Prime Time PX仿真工具搭建了功耗采集和攻击平台;在电路级,基于Candence Spectre仿真工具搭建了电路级功耗采集和攻击平台。之后,本文选取轻量级分组密码算法PRESENT作为实验对象,以相关性功耗(Correlation Power Analysis,CPA)攻击作为研究手段,分别从算法级和电路级实现了该密码算法并且采用了多种的抗功耗攻击防护方案。算法级防护方案采用了随机值掩码方案。在电路级上,采用了MTJ和CMOS相结合的方式设计了PRESENT密码算法的防护电路。使用门级功耗采集和攻击平台评估算法级防护方案的安全性。使用电路级功耗采集和攻击平台评估电路级防护方案的安全性。经过实验证明,在无防护措施的情况下,无论并行实现还是串行实现的PRESENT密码算法的密钥信息很容易被攻击破解,安全性较差。随机值掩码防护方案虽然具有一定的防护能力,但是功耗代价较高,而MTJ/CMOS混合型电路结构防护方案都可以有效地抵御CPA攻击,在提高密码算法的安全性,功耗代价增加有限。研究表明采用双轨查找表结构的MTJ/CMOS混合型电路防护方案与同样结构的标准CMOS电路实现方案相比,能耗降低了19%,这对未来关于安全轻量级密码算法的研究具有一定的参考意义。
暂无评论