文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.014
中文引用格式： 裴根，石朝陽,，鄒雪城,，等. 一種基于快速激活的硬件木馬檢測法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016,，42(8)：63-66.
英文引用格式： Pei Gen，Shi Zhaoyang,，Zou Xuecheng,，et al. A hardware Trojan detection method based on rapid activation[J].Application of Electronic Technique，2016,，42(8)：63-66.
0 引言
在過去幾十年,，集成電路已經(jīng)滲透到人類社會活動的各個領(lǐng)域,包括在金融,、軍事、工業(yè),、交通等關(guān)乎國家命脈的領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用,，因此確保集成電路的安全性與可靠性變得尤為重要。
圍繞硬件木馬檢測,，研究人員已經(jīng)做了很多工作,，但目前學(xué)術(shù)界仍缺少相應(yīng)的用于評估各種木馬檢測方法有效性的評價準(zhǔn)則[1]。現(xiàn)有的硬件木馬檢測技術(shù)主要可分為基于物理分析的檢測方法,、基于ATPG（自動測試矢量生成）的檢測方法,，以及基于旁路信號分析的檢測方法?；谖锢矸治龅姆椒ㄊ且环N破壞性的方法,，對芯片進(jìn)行反向工程，還原出原始設(shè)計的電路,，這種方法工作量很大,，效果也不太好?；谂月沸盘柕呐月贩治黾夹g(shù)最初主要應(yīng)用于密碼分析學(xué)領(lǐng)域,，通過監(jiān)測采集IC密碼芯片在工作時泄露的物理特征信息（如功耗、聲波,、運(yùn)行時間,、電磁輻射等），利用數(shù)學(xué)分析（重點(diǎn)是統(tǒng)計分析）方法獲取IC密碼芯片中的秘密信息,?；谂月贩治龅拿艽a芯片正是利用原始電路與木馬電路之間旁路信號的差異來檢測木馬，文獻(xiàn)[2]首次提出采用電路的功耗信息來檢測硬件木馬的方法,。此外,，通過測量芯片電源端的瞬態(tài)電流信號，并對這些信號進(jìn)行電流集成化分析[3]或基于區(qū)域的分析[4],，可以有效地檢測出小規(guī)模的硬件木馬,。文獻(xiàn)[5]提出一種基于時延的物理不可克隆功能（Physical Unclonable Function，PUF）的電路結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)能在芯片的測試階段輔助檢測硬件木馬,。文獻(xiàn)[6]提出一種基于全芯片路徑延時信息的新穎指紋生成方法,。文獻(xiàn)[7]提出了一種未用電路識別（UCI）技術(shù)，該文章結(jié)果顯示UCI技術(shù)可以檢測大多數(shù)常規(guī)簡單的硬件木馬,。文獻(xiàn)[8]提出了一種新的RTL級木馬的代碼設(shè)計風(fēng)格以規(guī)避文獻(xiàn)[7]中提到的UCI檢測技術(shù),。文獻(xiàn)[9]提出了一種反硬件木馬的電路設(shè)計方法，通過密鑰產(chǎn)生簽名,，對簽名進(jìn)行匹配,，以檢測硬件木馬。
文獻(xiàn)[2]~[6]的方法都是基于旁路信號分析,，要生產(chǎn)出實際的芯片做測試,，花銷比較大，研究周期也很長,。文獻(xiàn)[7]提出的UCI技術(shù)實際上是基于冗余電路分析,，但是目前也有很多木馬在設(shè)計過程中就巧妙地融合到正常電路中去了，并不能被當(dāng)作冗余電路中識別出來,，而且文獻(xiàn)[8]就針對此UCI技術(shù)提出了一種規(guī)避的方法,。文獻(xiàn)[9]中的簽名匹配技術(shù)在簽名不匹配時只能警告電路可能植入了木馬，并不能精確指出木馬的存在位置,。綜上所述,，本文基于木馬的隱藏機(jī)制，提出了一種基于快速激活的RTL級硬件木馬檢測方法,，本方法可以檢測一些將電路中的低活躍度信號作為觸發(fā)條件的硬件木馬,，同時可以定位這些木馬，以方便恢復(fù)原始電路設(shè)計,。
1 硬件木馬的快速激活方法
1.1 木馬的激活概率分析
硬件木馬具有隱蔽性高,、激活概率低的特點(diǎn)，并且通過常規(guī)的測試流程很難激活發(fā)現(xiàn)這些硬件木馬,。圖1展示了一個簡單的三級邏輯門電路概率計算過程,。我們以（P0，P1）來表征一個節(jié)點(diǎn)值為0和1的概率,。概率計算過程遵循如下原則：(1)P0+P1=1,；(2)不考慮門之間的拓?fù)鋵W(xué)內(nèi)在聯(lián)系,每個節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的；(3)最原始輸入端節(jié)點(diǎn)概率為（1/2,，1/2）,。從圖1可以看到，到第三級中虛線框中的與門輸出端值為1的概率為1/256,。事實上，如果電路規(guī)模變大,，級數(shù)增加,，一些有更低的概率甚至難以觸發(fā)的節(jié)點(diǎn)是可以預(yù)見的,。
圖1 電路的概率計算過程
如果木馬植入者多利用有幾個這種低概率值的節(jié)點(diǎn)組合作為硬件木馬的觸發(fā)條件，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理,木馬被觸發(fā)激活的概率為
由此可見,，硬件木馬就更難以在常規(guī)功能驗證測試中被激活,。基于此,，下文提出了一種能可控地改變那些低概率節(jié)點(diǎn)概率的方法,，通過加大那些節(jié)點(diǎn)的概率，使硬件木馬能夠被快速激活,，從而被檢測到,。
1.2 快速激活木馬的機(jī)制
為了綜合表征一個節(jié)點(diǎn)的概率分布，我們引入一個權(quán)重值——節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率Pt,，Pt=P0×P1,，平均翻轉(zhuǎn)時間周期Tt=1/Pt?？梢?，節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率越小，需要的平均翻轉(zhuǎn)周期越大,。為了確保Pt大于一個設(shè)定的閾值Pth,，根據(jù)可測性設(shè)計思想，一個虛擬掃描觸發(fā)器(dummy scan flip-flop,，dSFF)可以植入我們的電路中用來使P0和P1的值盡量靠近,。如圖2所示是虛擬觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖（與門和或門除外）。
(a)dSFF-AND (b)dSFF-OR
圖2 虛擬觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)節(jié)點(diǎn)i的P0<<P1時,，一個與門放在dSFF后面,，同時將節(jié)點(diǎn)i與dSFF的輸出Q連入與門輸入端，與門輸出作為新的節(jié)點(diǎn)i,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i的P0>>P1時 ,，一個或門放在dSFF后面，同時將節(jié)點(diǎn)i與dSFF的輸出Q連入或門輸入端,，或門輸出作為新的節(jié)點(diǎn)i,。本文中，dSFF-AND和dSFF-OR分別代表dSFF后面接了一個與門和或門,。當(dāng)TE(Test Enable)信號使能時,，dSFF的輸出Q由SI(Scan Input)來決定。當(dāng)TE不使能時,，植入電路內(nèi)的dSFF對原始電路的功能不會有影響,。
在測試模式下，dSFF的輸出概率分布為（1/2,，1/2）,。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的概率分布（P0,，P1），P1<<P0,，有
在插入dSFF后,，新的節(jié)點(diǎn)i′的概率分布
為
可見新節(jié)點(diǎn)的概率P0和P1的值互相靠近1/2。那么節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率變化如下
如圖3所示為在圖1電路圖基礎(chǔ)上添加dSFF后對電路節(jié)點(diǎn)概率的影響,。原電路中虛線框中的與門輸出節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率為
平均翻轉(zhuǎn)時間周期Tt=255.6,，插入dSFF后，節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率變?yōu)?img src="http://files.chinaaet.com/images/2016/11/30/6361609644052200007069167.png" title="QQ圖片20161130095506.png" alt="QQ圖片20161130095506.png"/>,，平均翻轉(zhuǎn)時間周期
由此對比可見,，dSFF的插入大大增加了低翻轉(zhuǎn)概率節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)概率，縮短了木馬的激活時間,。
圖3 添加dSFF
2 實驗驗證
2.1 測試方法
為了真實模擬硬件木馬的植入及檢測過程,，我們使用了開源微處理器OR1200作為我們的測試平臺。我們從TRUST-HUB上提供的一些benchmarks中提取了10個木馬原型,如表1所示,，植入到OR1200的源代碼中,。我們寫了10個不同功能的C語言程序，利用opencores提供的工具鏈編譯成機(jī)器碼,，作為OR1200的測試用例,，以便盡可能覆蓋所有處理器功能。
首先我們通過功能測試確保木馬在功能驗證過程中不會被暴露,，同時,，用Perl編寫腳本統(tǒng)計信號節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)概率(翻轉(zhuǎn)次數(shù)/仿真時鐘周期數(shù))，將dSFF插入代碼中,。dSFF的插入流程如圖4所示,。Pth為節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率Pt的可設(shè)閾值。
圖4 dSFF插入流程
2.2 結(jié)果分析
在檢測實驗過程中,，我們設(shè)置不同的Pth值,，并利用腳本分析電路內(nèi)部信號節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)統(tǒng)計值Toggle，如圖5所示,，隨著Pth的逐漸加大,，電路的信號節(jié)點(diǎn)激活度逐漸增大。在Pth>10-3后,，激活度增長趨勢放緩,。可見,，插入dSFF在一定范圍內(nèi)可以增大電路的激活率,，但是并不能無限增強(qiáng)，有一個極限值。
圖5 電路激活度曲線
圖6是植入木馬被激活發(fā)現(xiàn)的個數(shù)與Pth的關(guān)系,。在一定值內(nèi),，由圖5可知，電路激活度隨著Pth的增大而增大,，木馬的發(fā)現(xiàn)個數(shù)也隨著Pth的增大而增大，在Pth>10-3后,，木馬的被激活個數(shù)趨于穩(wěn)定,，說明木馬的發(fā)現(xiàn)個數(shù)與電路的激活度有著直接的關(guān)系。同時我們可以看到,，在不同的Pth值范圍里,，并不能檢測到所有植入的木馬，可見,，本方法還有一些局限性,。
圖6 木馬的發(fā)現(xiàn)個數(shù)曲線
表2顯示了試驗中硬件開銷，數(shù)據(jù)由Quartus II軟件的compilation report獲得,?？梢钥吹剑踩氲?0個硬件木馬對于原始設(shè)計的硬件開銷影響1%都不到,，基本上可以忽略不計,。插入dSFF的開銷隨著Pth的增大而顯著增大。所以,，結(jié)合圖6的數(shù)據(jù),，在檢測木馬的時候，硬件開銷和Pth值的選擇需要有一個折衷考慮,。
3 結(jié)語
為了縮短硬件木馬的激活時間,，本文提出了一種快速激活以檢測木馬的方法，在設(shè)計的功能驗證測試階段,，通過對電路內(nèi)在節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)概率分析,，植入dSFF模塊，縮短節(jié)點(diǎn)的激活時間,?；贠R1200的測試結(jié)果表明，對于利用低活躍度信號作為觸發(fā)條件的硬件木馬,，本方法可以很容易激活并檢測出來,，對于用特殊序列作為觸發(fā)條件的硬件木馬，本方法的激活成功率很有限,?？偟膩碚f，硬件木馬千千萬萬,，并非本方法可以全部檢測,，新的方法需要我們繼續(xù)努力研究去發(fā)現(xiàn),。
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