加密芯片抗扫描旁路攻击的关键技术研究

Crypto chips have been widely applied in multiple fields. However, they are vulnerable to the scan-based side-channel attacks. It is important to study the techniques to enable the crypto chips to resist the scan-based side-channel attacks. Based on the security vulnerability of current countermeasures, we propose to design secure and practical scan design against the scan-based side-channel attacks using physical unclonable function (PUF) circuit. The proposed scheme is based on “lock-key” technique. It introduces PUF to generate key and realizes dynamic lock on the scan chain by controlling the test control ports of some specific scan cells. It hence only enables the users with correct key to use the scan chain normally but prevents illegal users from retrieving the secret keys by observing the intermediate values during encryption computing. This scheme can resist all known scan-based side-channel attacks and it implements secure key using PUF. Also, it incurs negligible performance overhead. Nowadays, as the crypto chips are widely applied and the side-channel attacks become more severe, the proposed scheme presents high practical value.

加密芯片已广泛应用于多个安全领域，但是它们容易受到扫描旁路攻击，安全性面临着极大威胁。因此，研究加密芯片抗扫描旁路攻击的技术有重要意义。针对现有技术存在的安全漏洞，本项目提出使用物理不可克隆函数（PUF）电路的、抗扫描旁路攻击的实用安全扫描链设计方案。方案引入了“锁-钥匙”机制，利用PUF电路生成“钥匙”，并通过对扫描链中部分特定扫描单元的测试控制端口加“动态锁”，实现了“只有钥匙正确，用户才可以正常使用扫描链”，有效阻止了非法用户利用扫描链观察加密中间结果从而破解密钥。该方案可以效抵抗已知的各种扫描旁路攻击，利用PUF则实现了安全“钥匙”的设计。同时，方案对原设计各方面性能影响小。在加密芯片广泛应用而扫描旁路攻击日益猖獗的今天，该技术有很高的应用价值。

加密芯片已广泛应用于多个安全领域，但是它们容易受到扫描旁路攻击，安全性面临着极大威胁。因此，研究加密芯片抗扫描旁路攻击的技术有重要意义。针对现有技术存在的安全漏洞，本项目主要提出并实现了基于物理不可克隆函数（PUF）电路的安全扫描链设计方案以及基于哈希函数对扫描数据进行混淆处理以抵御扫描旁路攻击的安全设计。. 具体实现工作包括：1. 基于物理不可克隆函数，实现了一批芯片在锁结构相同的情况下，每块芯片拥有不同钥匙的安全设计方案，该设计可抵御目前已知的所有扫描旁路攻击，且解决了目前锁-钥匙机制中普遍存在的共享钥匙的安全隐患。2.提出并实现了基于哈希函数对扫描数据进行混淆处理以抵御扫描旁路攻击的安全设计，该混淆逻辑单向性已得到公开验证，可更有效的防止加密中间结果的截获；整个安全方案开销低，对原始设计的测试性能没有影响，且可以抵御已知的扫描旁路攻击。. 上述成果可为加密芯片提供安全的、低开销的扫描链设计技术，在加密芯片广泛应用而安全需求日益显著的今天，该成果有广阔的应用前景。