0 引言

    粗粒度可重構(gòu)陣列(CGRA)^[1]兼具通用處理器(GPP)和專用集成電路(ASIC)的優(yōu)勢(shì),，在計(jì)算機(jī)視覺、信號(hào)處理和密碼運(yùn)算等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用上,，展現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和潛力^[1-2],。近年來，基于CGRA的粗粒度可重構(gòu)密碼陣列(CGRCA)^[2]在密碼處理領(lǐng)域發(fā)展十分迅速。與傳統(tǒng)密碼芯片相比,，CGRCA是專門面向密碼算法高速實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的CGRA,，具有可重構(gòu)、并行度高和效率高的特點(diǎn),。隨著芯片產(chǎn)業(yè)全球化的不斷推進(jìn),，CGRCA也遭受硬件木馬(Hardware Trojan Horse，HTH)^[1,，3-4]攻擊的潛在威脅,。

    硬件木馬是對(duì)硬件電路的惡意修改或添加以達(dá)成攻擊者的目的。CGRCA依賴配置流實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)^[5],，當(dāng)前針對(duì)可重構(gòu)設(shè)備配置流的硬件木馬檢測(cè)和防護(hù)技術(shù),，主要通過認(rèn)證和編碼實(shí)現(xiàn)，大多集中在FPGA領(lǐng)域,，難以直接移植應(yīng)用于CGRCA,。如文獻(xiàn)[1]面向CGRCA提出基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的安全配置方案，側(cè)重于硬件木馬容忍,，無法防護(hù)攻擊配置流的硬件木馬,。文獻(xiàn)[6]提出一種基于軟錯(cuò)誤容忍的編碼技術(shù)，以保護(hù)基于SRAM的配置存儲(chǔ)器,，但難以防護(hù)惡意硬件木馬,。文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]提出采用AES-GCM和AES-CMAC模式對(duì)FPGA配置流進(jìn)行加密認(rèn)證保護(hù),，但難以直接移植于CGRCA,。

    針對(duì)已有工作的不足，為了對(duì)CGRCA配置流進(jìn)行保護(hù),，本文提出基于認(rèn)證和加密安全引擎的硬件木馬攻擊防護(hù)方法,。首先，綜合分析了CGRCA結(jié)構(gòu)及其配置特點(diǎn),，總結(jié)了面向CGRCA未加密原始配置流的安全漏洞,，并給出了可能的攻擊流程和植入方法。其次,，針對(duì)該攻擊流程,，本文提出了基于改進(jìn)CCM安全引擎的硬件木馬防護(hù)措施，以軟硬結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)配置流完整性和真實(shí)性的保護(hù),，并通過資源復(fù)用進(jìn)一步優(yōu)化了面積開銷,。

1 CGRCA結(jié)構(gòu)分析

1.1 CGRCA結(jié)構(gòu)分析

    CGRCA采用數(shù)據(jù)流加配置流驅(qū)動(dòng)^[2]，主要由配置網(wǎng)絡(luò),、控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)三部分組成^[9],。CGRCA的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    如圖1所示，配置網(wǎng)絡(luò)由配置解析器和4個(gè)配置頁面組成,，通過配置可重構(gòu)物理資源,，完成對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)經(jīng)配置網(wǎng)絡(luò)配置后,，產(chǎn)生數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需控制信號(hào)，以支持?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的正確運(yùn)算,。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是CGRCA的主要運(yùn)算部分,，其核心是針對(duì)密碼運(yùn)算設(shè)計(jì)的2D-mesh結(jié)構(gòu)可重構(gòu)處理單元陣列(Reconfigurable Processing Unit Array，RPUA),。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)配置網(wǎng)絡(luò)配置后,，能夠組成特定密碼運(yùn)算所需的結(jié)構(gòu)，在控制網(wǎng)絡(luò)支持下,，完成對(duì)數(shù)據(jù)的加解密操作,。

1.2 CGRCA配置情況分析

    下文以規(guī)模為8×8的CGRCA陣列為對(duì)象，分析其配置情況,。單個(gè)規(guī)模8×8的陣列由4個(gè)規(guī)模4×4的小陣列組成,，其中單個(gè)RPU為最小運(yùn)算單元和最小配置單元。在具體配置時(shí),，陣列實(shí)際配置信息來自于陣列外部FIFO,，其大小取決于具體映射的密碼算法。所有配置信息采用層次化存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)在配置網(wǎng)絡(luò)中,，其配置網(wǎng)絡(luò)分為三層,，包括單元配置存儲(chǔ)UCM、局部配置存儲(chǔ)LCM和全局配置存儲(chǔ)GCM,，如圖2所示,。配置網(wǎng)絡(luò)中單元配置存儲(chǔ)UCM負(fù)責(zé)單個(gè)RPU單元單個(gè)配置頁面的配置信息寄存，每個(gè)RPU單元的配置信息由4個(gè)UCM共同負(fù)責(zé),。局部配置存儲(chǔ)LCM負(fù)責(zé)陣列的配置信息存儲(chǔ),，全局配置存儲(chǔ)GCM負(fù)責(zé)陣列的配置信息存儲(chǔ)和4個(gè)小陣列的共享存儲(chǔ)。具體配置比特文件由包頭和配置信息塊組成,，其組織形式如圖3所示。

    圖3中,，包頭將配置信息分成不同的模塊,。包頭包含配置信息塊的分發(fā)和轉(zhuǎn)移信息，配置信息塊則代表具體配置任務(wù),。CGRCA在配置時(shí),，首先,，在配置端完成從算法DFG圖到配置比特流的轉(zhuǎn)換，接著通過JTAG端口將外部配置流文件傳輸?shù)紺GRCA的輸入FIFO,，然后由CGRCA配置端口寫入CGRCA陣列存儲(chǔ)器內(nèi),，最后，配置解析器解析配置流文件,，通過不同單元配置信息的分發(fā)和轉(zhuǎn)移來完成配置,。配置信息在分發(fā)和轉(zhuǎn)移時(shí)，都以1個(gè)配置頁面為最小單元,，從而能實(shí)現(xiàn)單個(gè)RPU的單時(shí)鐘周期配置,。

2 面向CGRCA配置流的硬件木馬攻擊威脅

2.1 面向CGRCA配置流的硬件木馬分類

    面向配置流進(jìn)行硬件木馬攻擊，通常通過不可信的EDA工具,、不可信的傳輸信道或者不可信的使用者實(shí)施,。其攻擊對(duì)象是CGRCA配置流，其主要手段是直接修改配置信息比特流文件,。與FPGA配置流的硬件木馬^[5]類似,，根據(jù)硬件木馬電路與原始電路在CGRCA的占用資源是否重疊，可以分為資源相關(guān)型硬件木馬(RDH)和資源無關(guān)型硬件木馬(RIH)兩類,。圖4為兩類硬件木馬的示意圖,。

    圖4(a)為未受到硬件木馬攻擊時(shí)，含有6個(gè)節(jié)點(diǎn)的原始DFG圖映射到陣列上的情況,。資源相關(guān)型硬件木馬是指插入的硬件木馬電路與原始電路在CGRCA上占用的資源部分或者完全重疊,。此時(shí)，硬件木馬電路與原始電路不獨(dú)立,，而是以某種方式相互連接,。如圖4(b)中，RDH型硬件木馬的觸發(fā)電路與節(jié)點(diǎn)C所在單元重合,。資源無關(guān)型攻擊是指插入的硬件木馬電路與原始電路在CGRCA上占用的資源無重疊,。資源無關(guān)型硬件木馬通常不會(huì)影響到原始電路功能，和原始電路功能彼此獨(dú)立,。如圖4(c)中,，RIH型硬件木馬電路的觸發(fā)單元和有效載荷均不與原始電路相連?？紤]到CGRCA主要用于實(shí)現(xiàn)密碼算法,，因此對(duì)攻擊者而言，其主要目的是竊取密鑰或者破壞原始電路邏輯功能,。RIH型硬件木馬雖然插入簡(jiǎn)單,，但是不能破壞原始功能，無法完成上述攻擊目的,。因此,，本文側(cè)重討論資源相關(guān)型硬件木馬(RDH型)攻擊,。

2.2 RDH型硬件木馬攻擊流程

    RDH型硬件木馬插入較為復(fù)雜，需要攻擊者熟悉配置比特流與CGRCA架構(gòu)連接之間的相關(guān)性,。對(duì)于攻擊者而言,，即便配置比特流是可獲得的，要成功實(shí)施RDH型攻擊,，仍然存在兩個(gè)主要問題：首先,，攻擊者必須熟悉配置比特流的結(jié)構(gòu)；其次,，必須在大量原始比特流中找到對(duì)應(yīng)攻擊比特?，F(xiàn)有可重構(gòu)設(shè)備的比特流均采用專有文件格式^[10]，并沒有公開文獻(xiàn)分析比特流與硬件資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。因此,，即使攻擊者完全獲取到比特流，如何識(shí)別和攻擊未知設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件也是巨大的挑戰(zhàn),。而通過分析CGRCA的結(jié)構(gòu)特征可知,，CGRCA中的關(guān)鍵加密部件包含密鑰處理單元RKB和非線性部件RSB。假設(shè)攻擊者掌握原始比特流中對(duì)應(yīng)包頭信息,，則針對(duì)特定的RKB和RSB進(jìn)行攻擊是完全可行的,。

    為成功實(shí)施攻擊，攻擊者首先利用原始比特流文件,，通過搜索應(yīng)RKB對(duì)應(yīng)包頭信息,，找到原始陣列平臺(tái)中的密鑰處理單元配置流信息，然后通過修改關(guān)鍵數(shù)據(jù)流以針對(duì)性地插入硬件木馬,，導(dǎo)致最終結(jié)果出錯(cuò),。因此，硬件木馬攻擊的輸入為原始配置信息流文件和硬件木馬數(shù)據(jù)庫,，關(guān)鍵步驟為特定資源搜索和比特流修改,，其攻擊流程如圖5所示。

    圖5中,，Golden.bin文件表示與原始映射設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制文件,，HT.bin文件表示硬件木馬對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制文件。硬件木馬修改程序首先采用資源搜索子程序識(shí)別出配置比特流中的關(guān)鍵資源,，若找到關(guān)鍵資源,，則順序搜索選定硬件木馬數(shù)據(jù)庫中的硬件木馬，再通過比特流修改子程序?qū)υ嘉募M(jìn)行修改,，得到篡改比特流文件Modifiedgolden.bin,。如果未找到特定資源或合適的硬件木馬，則退出程序不做修改,。資源搜索子程序的目標(biāo)是利用原始配置比特流識(shí)別出關(guān)鍵資源塊,，比特流修改子程序的目標(biāo)是利用硬件木馬數(shù)據(jù)庫修改關(guān)鍵資源數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)。

    根據(jù)上述攻擊流程可知,，無安全機(jī)制的保護(hù)時(shí),，配置比特流易遭受硬件木馬攻擊。攻擊者能成功實(shí)施攻擊的一個(gè)重要原因,，在于Golden.bin文件和最終輸入的Modifiedgolden.bin文件之間不存在校驗(yàn)機(jī)制,，導(dǎo)致應(yīng)用者不能保證最終配置流就是正確的配置流。

3 面向配置流的硬件木馬防護(hù)方法

    為了使對(duì)手難以通過直接修改比特流來插入硬件木馬,，防止配置流出現(xiàn)錯(cuò)誤或被惡意篡改,，可重構(gòu)設(shè)備在配置時(shí)必須對(duì)配置比特流真實(shí)性和完整性進(jìn)行保護(hù)。現(xiàn)有文獻(xiàn)主要有校驗(yàn)^[5,，10]和認(rèn)證^[7-8]兩類方法,，前者通常在比特流中添加校驗(yàn)碼，采用的線性函數(shù)可以相對(duì)容易地偽造,，且難以檢測(cè)惡意篡改^[12],。后者的安全基礎(chǔ)是認(rèn)證加密算法，不僅能對(duì)比特流進(jìn)行加密和認(rèn)證,，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)比特流信息防篡改,，因此本文采用認(rèn)證加密的方式。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)CCM模式原理

    早期認(rèn)證加密主要存在三種模式^[5]：加密后認(rèn)證(Encrypt-Then-MAC,，ETM),，認(rèn)證后加密(MAC-Then-Encrypt，MTE)以及加密并認(rèn)證(MAC-And-Encrypt,，MAE),，但這些模式難以保證安全性。公鑰密碼(PKC)和哈希消息認(rèn)證碼(HMAC)理論上適用于比特流認(rèn)證和加密,，但是其硬件成本較高^[5],，考慮到實(shí)現(xiàn)的安全性和硬件實(shí)現(xiàn)效率，本文采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和 NIST收錄的CCM模式^[13]進(jìn)行加密認(rèn)證,。CCM加密認(rèn)證分別采用計(jì)數(shù)模式(Counter,，CTR)和CBC-MAC模式，均為前向反饋模式,，因此其加解密函數(shù)相同,，適用于資源受限、安全要求高的CGRCA應(yīng)用場(chǎng)景,。

    標(biāo)準(zhǔn)CCM模式同時(shí)具有加密和認(rèn)證的功能,，是CTR加密模式和CBC_MAC認(rèn)證模式的組合。下面對(duì)CCM模式下的部分變量進(jìn)行定義,。設(shè)輸入明文數(shù)據(jù)為長(zhǎng)度為Plen的字符串P,，采用格式化函數(shù)分塊以后的字符串表示為B_j(1≤j≤),，密鑰為K，加密過程生成中間值為S_i,，其中i的取值范圍是[0,，]，認(rèn)證過程生成的中間值為Y_j,，其中j的取值范圍也是[0,，]，最終加密得到密文數(shù)據(jù)為C,，則基于CTR模式下的加密過程的定義式如式(1)所示：

    式中,，表示不小于實(shí)數(shù)x的最小整數(shù)，||代表拼接運(yùn)算,，MSB_x(y)表示取y數(shù)的高x位,，CTR(x)代表第x個(gè)計(jì)數(shù)塊，計(jì)數(shù)塊的值由隨機(jī)數(shù)Nounce和計(jì)數(shù)器共同決定,，T是由CBC_MAC模式生成的認(rèn)證碼,。

    基于CBC_MAC模式下的認(rèn)證過程的定義式如式(2)所示：

    由定義可知，在標(biāo)準(zhǔn)CCM模式下,，加密和認(rèn)證過程采用相同的密鑰,，這導(dǎo)致在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，一旦攻擊者獲取了密鑰,，將導(dǎo)致所有密文和認(rèn)證碼均失效,。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)CCM采用格式化函數(shù)統(tǒng)一處理數(shù)據(jù),，并對(duì)處理后的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,。而對(duì)于陣列配置文件而言，不同配置文件的數(shù)據(jù)量由實(shí)際算法確定,，其采用包頭+數(shù)據(jù)的形式,，若采用全部加密，數(shù)據(jù)量可能較大,，導(dǎo)致加密時(shí)間過長(zhǎng),，因此數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理無法直接應(yīng)用于陣列配置流的加密。

    基于以上分析,，本文提出的改進(jìn)CCM安全機(jī)制對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CCM模式進(jìn)行如下調(diào)整：(1)加密和認(rèn)證過程采用不同密鑰,；(2)數(shù)據(jù)加密認(rèn)證前，首先進(jìn)行預(yù)處理,，將包頭與數(shù)據(jù)分離,，僅對(duì)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行加密認(rèn)證。將調(diào)整后的認(rèn)證加密過程嵌入到原始配置流程中。

3.2 改進(jìn)CCM機(jī)制原理

    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)配置比特流文件的保護(hù),，防止其被篡改,，改進(jìn)CCM安全機(jī)制采用軟硬結(jié)合的方式，分別建立了基于加密認(rèn)證的配置安全保護(hù)機(jī)制和基于解密驗(yàn)證的硬件安全防護(hù)結(jié)構(gòu),，其安全配置保護(hù)機(jī)制和硬件安全防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

    改進(jìn)CCM安全機(jī)制首先在基于加密認(rèn)證的配置安全保護(hù)下，通過軟件方式對(duì)生成的配置比特流進(jìn)行部分加密并生成消息認(rèn)證碼,，保證配置流難以被篡改。其次,，在配置比特流加載到配置端口前,，采用基于驗(yàn)證的硬件安全結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行解密和認(rèn)證，保證配置流的任何篡改都能被發(fā)現(xiàn),。

    基于加密認(rèn)證的配置安全保護(hù)流程在原始配置流程中添加了加密和認(rèn)證的步驟,，首先定義配置安全保護(hù)流程的先決條件和涉及參數(shù)。

    先決條件：128位AES分組密碼算法,；加密密鑰K1,；認(rèn)證密鑰K2；預(yù)處理函數(shù)f(x),；格式化函數(shù)g(x),；計(jì)數(shù)塊生成函數(shù)h(x)；后處理函數(shù)p(x),；生成認(rèn)證碼長(zhǎng)度Tlen,。

    輸入：隨機(jī)數(shù)N；長(zhǎng)度為Plen的配置流數(shù)據(jù)P,；

    輸出：加密密文C,；

    具體步驟如下：

    為了正確解密和驗(yàn)證配置流文件，本文設(shè)計(jì)了圖6右側(cè)的基于解密驗(yàn)證的硬件安全防護(hù)端,，其中陰影部分為包含了兩個(gè)并行AES核以及一個(gè)異或非驗(yàn)證門的硬件安全引擎,。與軟件安全配置流程對(duì)應(yīng)，安全雙引擎的兩個(gè)AES核采用不同的密鑰并行工作,，一個(gè)核用于解密,，一個(gè)核用于認(rèn)證。其數(shù)據(jù)處理過程與加密認(rèn)證過程相逆,，此處不再贅述,。

    本方案中的加密步驟采用部分加密，即僅對(duì)配置流中的配置信息塊進(jìn)行加密,，相比于全部加密,，其優(yōu)勢(shì)在保持安全性的同時(shí)使得開銷更低。同時(shí)，加密和認(rèn)證使用不同的密鑰,，能夠避免漏洞,，進(jìn)一步保證系統(tǒng)的安全性。在實(shí)際操作過程中,，操作者可以通過配置選擇信號(hào)選擇是否進(jìn)行身份驗(yàn)證,，若不使用身份驗(yàn)證，可以采用全0替換計(jì)算好的認(rèn)證碼,。

3.3 改進(jìn)CCM硬件實(shí)現(xiàn)

    本文提出的防護(hù)方法采用軟硬結(jié)合的方式,，在安全配置流程的配合下，采用改進(jìn)AES-CCM模式實(shí)現(xiàn)對(duì)配置流數(shù)據(jù)的加密認(rèn)證,。在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí),，兩個(gè)采用前向反饋模式的AES核并行執(zhí)行操作，極大減小數(shù)據(jù)處理時(shí)間,，通過共享S盒查找表和密鑰生成模塊,，進(jìn)一步節(jié)省面積開銷。

    改進(jìn)CCM安全機(jī)制在實(shí)現(xiàn)時(shí),，兩個(gè)AES核并行工作,，其中解密引擎CORE₁以CTR模式工作的AES作為數(shù)據(jù)加密方式，對(duì)去掉包頭的信息塊進(jìn)行解密,。認(rèn)證引擎CORE2以CBC-MAC模式工作的AES對(duì)去除MAC的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行認(rèn)證,，CTR和CBC_MAC并行工作原理如圖7所示。

    為了保證CMAC認(rèn)證過程和CTR解密過程是并行執(zhí)行的,，本文調(diào)整了解密塊數(shù)據(jù)生成的順序,。首先通過認(rèn)證塊B₀和解密密文塊C₁生成B₁，再依次生成B_i(2≤i≤n-1),，并生成驗(yàn)證碼T,。同時(shí)，通過CTR(0)生成S(0),，與密文低Tlen位異或得到傳送過來的驗(yàn)證碼,，最后將傳送驗(yàn)證碼與計(jì)算驗(yàn)證碼進(jìn)行異或驗(yàn)證，得到驗(yàn)證信號(hào)valid,。具體時(shí)序如圖8所示,。在生成CMAC時(shí)的具體硬件結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

    硬件實(shí)現(xiàn)時(shí),，為了提高加密和驗(yàn)證的速度,，基于CTR-CMAC模式的雙引擎架構(gòu)使用4個(gè)32位AES實(shí)現(xiàn)128位AES運(yùn)算進(jìn)行解密和身份驗(yàn)證。在使用CBC-MAC模式完成認(rèn)證的同時(shí),，使用CTR模式執(zhí)行解密過程,，對(duì)于一組128位的數(shù)據(jù)至少需要12個(gè)時(shí)鐘周期才能完成解密和驗(yàn)證工作,。因此硬件安全引擎的最大吞吐量為：

    其中，f_max為最大工作頻率,，block為分組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,，T為分組處理時(shí)鐘周期數(shù)，吞吐量單位為Mb/s,。

4 評(píng)估與驗(yàn)證

    為了對(duì)硬件木馬防護(hù)方法進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估,，本文以規(guī)模8×8的CGRCA陣列為目標(biāo)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先,，采用C語言編程實(shí)現(xiàn)了2.2節(jié)中描述的硬件木馬可能攻擊流程,，挑選典型密碼算法AES算法、SMS4算法和A5/1算法的無流水配置文件,，作為Golden.bin文件,。同時(shí)，分別設(shè)計(jì)如圖10,、圖11示意的組合觸發(fā)功能修改型(C型)和時(shí)序觸發(fā)功能修改型(S型)硬件木馬，建立CGRCA硬件木馬數(shù)據(jù)庫,，并面向CGRCA生成相應(yīng)HT.bin文件,。該數(shù)據(jù)庫包含20種硬件木馬，為便于結(jié)果檢測(cè),，均為功能修改型硬件木馬,。表1列舉了硬件木馬數(shù)據(jù)庫部分信息。

    為了對(duì)本文的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證,，采用C++在配置端實(shí)現(xiàn)了安全配置流程,，并采用硬件描述語言Verilog HDL在CGRCA中搭建硬件雙安全引擎架構(gòu)，按照攻擊流程對(duì)CGRCA配置流實(shí)施攻擊,。為了驗(yàn)證防護(hù)效果,，將硬件木馬通過配置流分別插入到原始電路和防護(hù)電路中進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，將防護(hù)前后的平均硬件木馬攻擊成功率R_S,、平均正確輸出比例APCO^[1]作為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,，表2為待測(cè)電路防護(hù)前后的對(duì)比結(jié)果。

    表2以插入硬件木馬的個(gè)數(shù)標(biāo)識(shí)待測(cè)電路,，如AES(CS5/5)指在原始電路上插入5個(gè)C型木馬和5個(gè)S型木馬,。硬件木馬攻擊成功率R_S為對(duì)配置流進(jìn)行硬件木馬攻擊后，成功并實(shí)現(xiàn)邏輯功能修改的概率,。正確輸出比例APCO是指錯(cuò)誤輸出個(gè)數(shù)占總輸出個(gè)數(shù)的比例,。表2的結(jié)果表明，在不同的待測(cè)電路上,，插入不同種類和數(shù)量的硬件木馬后,，防護(hù)后的電路均能有效降低硬件木馬攻擊成功率,，并提高平均正確輸出比例。為了進(jìn)一步評(píng)估防護(hù)方法的性能,，將本文架構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)的加密驗(yàn)證結(jié)構(gòu)AES-CCM^[16],、AES-GCM^[7，17],、AES-SHA^[7]進(jìn)行對(duì)比,，對(duì)比指標(biāo)包括面積、頻率,、吞吐率和效率,，其中效率的計(jì)算方式為吞吐率與面積的比值，具體對(duì)比結(jié)果如表3所示,。

    從表3可以看出,，本文所用硬件結(jié)構(gòu)在綜合效率上優(yōu)于文獻(xiàn)[7]、[16]和[17]中的結(jié)構(gòu),，同時(shí)本文采用的結(jié)構(gòu)能達(dá)到最高的吞吐率,。在所選的三項(xiàng)指標(biāo)上，本文與文獻(xiàn)[7]的GCM結(jié)構(gòu)性能比較接近,，但是本文在實(shí)現(xiàn)加密認(rèn)證的同時(shí),，首次提出了將其應(yīng)用于CGRCA配置流的硬件木馬防護(hù)。綜合來看,，本文結(jié)構(gòu)有較好的優(yōu)越性,。軟件安全配置流程保證了CGRCA配置流難以被篡改，雙安全引擎的構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)對(duì)配置流的解密和認(rèn)證,，分塊加密增加了硬件處理速度,，共享AES加密核進(jìn)一步減小了硬件面積開銷，提高了硬件結(jié)構(gòu)的整體效率,。

5 結(jié)論

    隨著CGRA越來越多地應(yīng)用于各領(lǐng)域,，面向CGRA的安全防護(hù)至關(guān)重要。硬件木馬作為主要安全威脅之一,，能對(duì)無校驗(yàn)機(jī)制的CGRCA配置流實(shí)施攻擊,。本文首先詳細(xì)分析了CGRCA的結(jié)構(gòu)及其配置過程，得出了配置過程中可能的攻擊流程和攻擊方法,。然后,，針對(duì)這種可能的攻擊，提出了一種有效的硬件木馬防護(hù)方案,，采用軟件上的安全配置流程,，結(jié)合硬件上共享S盒的雙AES安全引擎，實(shí)現(xiàn)對(duì)配置流數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性的保護(hù),。該防護(hù)方法效率高,，面積開銷小,，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有配置過程影響較小，適合工程實(shí)踐,。

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作者信息:

劉  敏1,，嚴(yán)迎建1，南龍梅1,，2

(1.解放軍信息工程大學(xué),，河南 鄭州450001；2.復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，上海200433)