一种移动便携式侧信道采集测试设备及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种移动便携式侧信道采集测试设备及其控制方法，该设备包括：功耗采集目标开发板，用于实现加密和解密，并输出原始瞬时功耗；曲线预处理模块，用于对原始瞬时功耗进行预处理；采集板，将曲线预处理后的功耗数据与给定电压阈值进行比较，输出二值信号，并通过阈值压缩法进行累加计数，将该工作周期内的功耗数据转换为功耗压缩值，对其进行存储，并根据各个工作周期的功耗压缩值绘制功耗曲线；分析板，用于设置测试时的给定电压阈值，接收采集板发送的功耗曲线，并对其进行差分能量分析。本发明专利技术在采集数据阶大幅压缩功耗数据，并且不依赖于传统方法的示波器和PC机，可有高效地进行侧信道分析，具有轻量便携，成本低廉等特点。

A Mobile Portable Side Channel Acquisition and Testing Equipment and Its Control Method

The invention discloses a portable side channel acquisition and testing device and its control method. The device includes a power acquisition target development board for encryption and decryption, and outputs the original instantaneous power consumption; a curve preprocessing module for preprocessing the original instantaneous power consumption; and a acquisition board for comparing the power consumption data after curve preprocessing with a given voltage threshold. The output binary signal is counted accumulatively by threshold compression method, and the power consumption data in the work cycle is converted to the power compression value, which is stored, and the power curve is drawn according to the power compression value of each work cycle. The analysis board is used to set the given voltage threshold, receive the power curve sent by the acquisition board, and carry out differential energy analysis. The invention can collect data order and compress power consumption data substantially, and does not depend on the oscilloscope and PC of the traditional method. It can efficiently carry out side channel analysis, and has the characteristics of light weight, portable, low cost and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种移动便携式侧信道采集测试设备及其控制方法
本专利技术涉及密码安全
，尤其涉及一种移动便携式侧信道采集测试设备及其控制方法。
技术介绍
侧信道攻击是指利用电路工作过程中的各种侧信道泄露信息，如：能耗、时间、故障、电磁辐射等，通过建立这些泄露信息与密码算法关键信息(如密钥)间的联系，实现对秘密信息的提取。针对密码芯片或加密设备硬件电路的侧信道攻击(SideChannelAttack,SCA)，目前已成为密码算法硬件形式的主要威胁。为了保护密码设备的安全性，不同组织已经研制了侧信道分析设备用于密码系统的安全性测试。传统侧信道数据采集设备由电源、高频数字示波器、PC机、目标密码芯片组成，采集数据通过网络交付给服务器进行分析。这种方式高频示波器进行功耗采集，数据量较大，不利于后续的存储和计算分析。目前有些压缩算法被应用于解决数据量过大的问题，它们通过降维等方法及对采集后样本进行压缩，但是都依赖于示波器数据，没有减少原始采集的数据量；并且压缩算法的处理能力和数据维度有关，在处理高维数据时会出现计算困难。本专利技术以降低功耗分析采集阶段数据量和侧信道分析设备轻量化为目标，在功耗数据采集阶段，使用阈值电压，将密码芯片一个工作周期内高于阈值电压的时长量化为一个功耗值，进而大幅压缩采集数据。同时本设备用简单的设备实现了压缩采集功能，并利用采集到的数据进行本地的差分能量分析，降低了侧信道采集分析设备的成本和体积。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中侧信道分析设备采用数字示波器采集数据量过大以及由此带来的设备复杂成本高昂等缺陷，提供一种移动便携式侧信道采集测试设备及其控制方法，该设备不仅能在数据采集阶段降低数据量，而且能够在本地进行存储和侧信道分析，设备轻量便携，降低了测试成本。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种移动便携式侧信道采集测试设备，该设备包括依次相连的功耗采集目标开发板、曲线预处理模块、采集板和分析板，其中：功耗采集目标开发板，用于实现加密和解密，并输出原始瞬时功耗；曲线预处理模块，用于对原始瞬时功耗进行预处理，包括信号放大、滤波和偏置处理，得到曲线预处理后的功耗数据；采集板，用于在每个工作周期内，将曲线预处理后的功耗数据与给定电压阈值进行比较，输出二值信号，并通过阈值压缩法进行累加计数，将该工作周期内的功耗数据转换为功耗压缩值，对其进行存储，并根据各个工作周期的功耗压缩值绘制功耗曲线；分析板，用于设置测试时的给定电压阈值，接收采集板发送的功耗曲线，并对其进行差分能量分析。进一步地，本专利技术的功耗采集目标开发板包括密码芯片、功耗测量端口、Trigger信号控制端口，其中：密码芯片，用于在测试设备运行测试过程中，通过USB连接分析板，接收分析板的数据作为输入，运行密码算法；功耗测量端口，测量设备通过该端口读取功耗采集目标开发板的原始瞬时功耗；Trigger信号控制端口，该端口通过跳线连接到采集板上设置的累加计数器，Trigger信号为高电平控制采集板采集功耗数据，低电平控制采集板停止采集功耗数据。进一步地，本专利技术的曲线预处理模块包括放电路、滤波电路和电压偏置电路，其中：放大电路，原始瞬时功耗信号通过SMA接口输入放大电路，对输入的原始瞬时功耗的直流分量进行过滤，并放大交流分量，放大电路的响应频率高于分析所需要的采样频率；滤波电路，与放大电路连接，接收放大电路的输出信号，将放大电路输出的信号中高频分量过滤，减少信号中的噪声；电压偏置电路，与滤波电路连接，接收滤波电路的信号，将信号电压值进行偏置，使最后的输出信号幅度范围在采集板中进行电压比较的允许输入范围之内。进一步地，本专利技术的采集板包括DAC电路、电压比较器、采样时钟电路、阈值输出电路、存储器和累加计数器，其中：DAC电路，用于调节给定电压阈值，将给定电压阈值输出到电压比较器的一个输入端中；电压比较器，通过两个端口分别与DAC电路和电压偏置电路连接，如果电压偏置电路信号值大于DAC电路给定电压阈值，电压比较器输出高电平，否则电压比较器输出低电平；采样时钟电路，与累加计数器相连，控制累加计数器的每秒采样次数；阈值输出电路，与DAC模块相连，控制DAC电路设置的给定电压阈值大小；存储器，与累加计数器相连，保存累加计数器输出的功耗数值；累加计数器，与电压比较器连接，根据设置的每秒采样次数，对电压比较器输出进行采样，高电平累加器计数器值加一，低电平不变；同时，每个工作周期累加计数器将计数值写入存储器并清零。进一步地，本专利技术的阈值压缩法的具体方法为：累加计数器和Trigger信号控制端口、电压比较器、采样时钟电路均相连；其中：根据采样时钟控制累加计数器每秒采样次数Nf，电压比较器输出二值0、1信号给累加计数器；在每个密码芯片工作周期内Tc，累加计数器累加按照采样频率Nf将电压比较器二值信号进行累加为wi，wi作为该周期密码芯片的功耗；每个周期开始时，即每累加Nf/Nc次，其中Nc为密码芯片工作频率，存储wi，i＝i+1，将w0置0；Trigger信号为高电平时累加计数器工作，低电平停止累加，此时采集的n个功耗值组成一条功耗曲线W＝(w1,w2,…,wn)传输给分析板进行分析。进一步地，本专利技术的分析板包括分析设备和触摸板，其中：分析设备，通过串行外设接口与采集板相连，通过软件程序实现5个模块，包括交互模块、FPGA控制模块、通信模块、分析模块和外设控制模块，其中：FPGA控制模块，控制给定电压阈值设置，并负责读取采集板传输的功耗曲线；通信模块，通过USB接口与功耗采集目标开发板连接，为功耗采集目标开发板提供密码算法的输入；分析模块，与通信模块、FPGA控制模块进行通信，对功耗曲线进行差分能量分析获得功耗采集目标开发板密码算法的密钥；外设控制模块管理分析板的外部设备；交互模块是分析设备与触摸板的接口，与通信模块、外设模块和FPGA控制模块进行通信，接收触摸板的输入并传输给相应的模块；触摸板，通过排线和分析设备连接，由分析设备交互模块控制，提供用户操作的UI接口。本专利技术提供一种移动便携式侧信道采集测试设备的控制方法，包括以下步骤：步骤1、通过分析板上的触摸板进行设置功耗采集目标开发板提供密码算法的输入d以及给定电压阈值Vt；步骤2、分析板交互模块获得输入，将d传输给通信模块，将Vt传输给FPGA控制模块；步骤3、通信模块通过USB将d传输给功耗采集目标开发板，FPGA控制模块将采集板DAC阈值控制电路的给定电压阈值设置为Vt；步骤4、功耗采集目标开发板密码芯片以d为输入，开始运行密码算法，同时Trigger信号控制端口电平拉高，累加计数器开始工作；步骤5、功耗测量端口瞬时功耗数据经过SMA接口传输、放大电路放大、滤波电路滤波和偏置电路偏置后，输出信号Vs到达电压比较器一个端口；步骤6、电压比较器两个端口输入分别是偏置电路偏置后Vs和DAC阈值电压Vt，如果Vs>Vt，电压比较器输出高电平，否则电压比较器输出低电平；步骤7、累加计数器初值为0，每秒进行Nf次采样，若电压比较器输出为高电平累加计数器值w＝w+1，电压比较器输出为低电平，累加计数器值w不变，每Tc秒，采样Nf/Nc次，其中Nc为密码芯片工作频率，将w写入存储器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动便携式侧信道采集测试设备，其特征在于，该设备包括依次相连的功耗采集目标开发板、曲线预处理模块、采集板和分析板，其中：功耗采集目标开发板，用于实现加密和解密，并输出原始瞬时功耗；曲线预处理模块，用于对原始瞬时功耗进行预处理，包括信号放大、滤波和偏置处理，得到曲线预处理后的功耗数据；采集板，用于在每个工作周期内，将曲线预处理后的功耗数据与给定电压阈值进行比较，输出二值信号，并通过阈值压缩法进行累加计数，将该工作周期内的功耗数据转换为功耗压缩值，对其进行存储，并根据各个工作周期的功耗压缩值绘制功耗曲线；分析板，用于设置测试时的给定电压阈值，接收采集板发送的功耗曲线，并对其进行差分能量分析。

【技术特征摘要】
1.一种移动便携式侧信道采集测试设备，其特征在于，该设备包括依次相连的功耗采集目标开发板、曲线预处理模块、采集板和分析板，其中：功耗采集目标开发板，用于实现加密和解密，并输出原始瞬时功耗；曲线预处理模块，用于对原始瞬时功耗进行预处理，包括信号放大、滤波和偏置处理，得到曲线预处理后的功耗数据；采集板，用于在每个工作周期内，将曲线预处理后的功耗数据与给定电压阈值进行比较，输出二值信号，并通过阈值压缩法进行累加计数，将该工作周期内的功耗数据转换为功耗压缩值，对其进行存储，并根据各个工作周期的功耗压缩值绘制功耗曲线；分析板，用于设置测试时的给定电压阈值，接收采集板发送的功耗曲线，并对其进行差分能量分析。2.根据权利要求1所述的移动便携式侧信道采集测试设备，其特征在于，功耗采集目标开发板包括密码芯片、功耗测量端口、Trigger信号控制端口，其中：密码芯片，用于在测试设备运行测试过程中，通过USB连接分析板，接收分析板的数据作为输入，运行密码算法；功耗测量端口，测量设备通过该端口读取功耗采集目标开发板的原始瞬时功耗；Trigger信号控制端口，该端口通过跳线连接到采集板上设置的累加计数器，Trigger信号为高电平控制采集板采集功耗数据，低电平控制采集板停止采集功耗数据。3.根据权利要求2所述的移动便携式侧信道采集测试设备，其特征在于，曲线预处理模块包括放电路、滤波电路和电压偏置电路，其中：放大电路，原始瞬时功耗信号通过SMA接口输入放大电路，对输入的原始瞬时功耗的直流分量进行过滤，并放大交流分量，放大电路的响应频率高于分析所需要的采样频率；滤波电路，与放大电路连接，接收放大电路的输出信号，将放大电路输出的信号中高频分量过滤，减少信号中的噪声；电压偏置电路，与滤波电路连接，接收滤波电路的信号，将信号电压值进行偏置，使最后的输出信号幅度范围在采集板中进行电压比较的允许输入范围之内。4.根据权利要求3所述的移动便携式侧信道采集测试设备，其特征在于，采集板包括DAC电路、电压比较器、采样时钟电路、阈值输出电路、存储器和累加计数器，其中：DAC电路，用于调节给定电压阈值，将给定电压阈值输出到电压比较器的一个输入端中；电压比较器，通过两个端口分别与DAC电路和电压偏置电路连接，如果电压偏置电路信号值大于DAC电路给定电压阈值，电压比较器输出高电平，否则电压比较器输出低电平；采样时钟电路，与累加计数器相连，控制累加计数器的每秒采样次数；阈值输出电路，与DAC模块相连，控制DAC电路设置的给定电压阈值大小；存储器，与累加计数器相连，保存累加计数器输出的功耗数值；累加计数器，与电压比较器连接，根据设置的每秒采样次数，对电压比较器输出进行采样，高电平累加器计数器值加一，低电平不变；同时，每个工作周期累加计数器将计数值写入存储器并清零。5.根据权利要求4所述的移动便携式侧信道采集测试设备，其特征在于，阈值压缩法的具体方法为：累加计数器和Trigger信号控制端口、电压比较器、采样时钟电路均相连；其中：根据采样时钟控制累加计数器每秒采样次数Nf，电压比较器输出二值...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐明，郭志鹏，杨芳斐，刘树波，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42