文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.014
中文引用格式： 裴根，石朝陽(yáng)，鄒雪城，等. 一種基于快速激活的硬件木馬檢測(cè)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(guò)去幾十年，集成電路已經(jīng)滲透到人類社會(huì)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域,包括在金融、軍事、工業(yè)、交通等關(guān)乎國(guó)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(cè)，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(píng)估各種木馬檢測(cè)方法有效性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[1]。現(xiàn)有的硬件木馬檢測(cè)技術(shù)主要可分為基于物理分析的檢測(cè)方法、基于ATPG（自動(dòng)測(cè)試矢量生成）的檢測(cè)方法，以及基于旁路信號(hào)分析的檢測(cè)方法?；谖锢矸治龅姆椒ㄊ且环N破壞性的方法，對(duì)芯片進(jìn)行反向工程，還原出原始設(shè)計(jì)的電路，這種方法工作量很大，效果也不太好?；谂月沸盘?hào)的旁路分析技術(shù)最初主要應(yīng)用于密碼分析學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)監(jiān)測(cè)采集IC密碼芯片在工作時(shí)泄露的物理特征信息（如功耗、聲波、運(yùn)行時(shí)間、電磁輻射等），利用數(shù)學(xué)分析（重點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)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(hào)的差異來(lái)檢測(cè)木馬，文獻(xiàn)[2]首次提出采用電路的功耗信息來(lái)檢測(cè)硬件木馬的方法。此外，通過(guò)測(cè)量芯片電源端的瞬態(tài)電流信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)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(cè)出小規(guī)模的硬件木馬。文獻(xiàn)[5]提出一種基于時(shí)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(cè)試階段輔助檢測(cè)硬件木馬。文獻(xiàn)[6]提出一種基于全芯片路徑延時(shí)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(shí)別（UCI）技術(shù)，該文章結(jié)果顯示UCI技術(shù)可以檢測(cè)大多數(shù)常規(guī)簡(jiǎn)單的硬件木馬。文獻(xiàn)[8]提出了一種新的RTL級(jí)木馬的代碼設(shè)計(jì)風(fēng)格以規(guī)避文獻(xiàn)[7]中提到的UCI檢測(cè)技術(shù)。文獻(xiàn)[9]提出了一種反硬件木馬的電路設(shè)計(jì)方法，通過(guò)密鑰產(chǎn)生簽名，對(duì)簽名進(jìn)行匹配，以檢測(cè)硬件木馬。
文獻(xiàn)[2]~[6]的方法都是基于旁路信號(hào)分析，要生產(chǎn)出實(shí)際的芯片做測(cè)試，花銷比較大，研究周期也很長(zhǎng)。文獻(xiàn)[7]提出的UCI技術(shù)實(shí)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(jì)過(guò)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(shí)別出來(lái)，而且文獻(xiàn)[8]就針對(duì)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(shí)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(jí)硬件木馬檢測(cè)方法，本方法可以檢測(cè)一些將電路中的低活躍度信號(hào)作為觸發(fā)條件的硬件木馬，同時(shí)可以定位這些木馬，以方便恢復(fù)原始電路設(shè)計(jì)。
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(guò)常規(guī)的測(cè)試流程很難激活發(fā)現(xiàn)這些硬件木馬。圖1展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的三級(jí)邏輯門電路概率計(jì)算過(guò)程。我們以（P0，P1）來(lái)表征一個(gè)節(jié)點(diǎn)值為0和1的概率。概率計(jì)算過(guò)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(gè)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(jí)中虛線框中的與門輸出端值為1的概率為1/256。事實(shí)上，如果電路規(guī)模變大，級(jí)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(jiàn)的。
圖1 電路的概率計(jì)算過(guò)程
如果木馬植入者多利用有幾個(gè)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(jì)學(xué)原理,木馬被觸發(fā)激活的概率為
由此可見(jiàn)，硬件木馬就更難以在常規(guī)功能驗(yàn)證測(cè)試中被激活?；诖耍挛奶岢隽艘环N能可控地改變那些低概率節(jié)點(diǎn)概率的方法，通過(guò)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(cè)到。
1.2 快速激活木馬的機(jī)制
為了綜合表征一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率分布，我們引入一個(gè)權(quán)重值——節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)概率Pt，Pt=P0×P1，平均翻轉(zhuǎn)時(shí)間周期Tt=1/Pt?？梢?jiàn)，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(gè)設(shè)定的閾值Pth，根據(jù)可測(cè)性設(shè)計(jì)思想，一個(gè)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(lái)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(shí)，一個(gè)與門放在dSFF后面，同時(shí)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(shí) ，一個(gè)或門放在dSFF后面，同時(shí)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(gè)與門和或門。當(dāng)TE(Test Enable)信號(hào)使能時(shí)，dSFF的輸出Q由SI(Scan Input)來(lái)決定。當(dāng)TE不使能時(shí)，植入電路內(nèi)的dSFF對(duì)原始電路的功能不會(huì)有影響。
在測(cè)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(jiàn)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(duì)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(shí)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(shí)間周期
由此對(duì)比可見(jiàn)，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(shí)間。
圖3 添加dSFF
2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
2.1 測(cè)試方法
為了真實(shí)模擬硬件木馬的植入及檢測(cè)過(guò)程，我們使用了開(kāi)源微處理器OR1200作為我們的測(cè)試平臺(tái)。我們從TRUST-HUB上提供的一些benchmarks中提取了10個(gè)木馬原型,如表1所示，植入到OR1200的源代碼中。我們寫了10個(gè)不同功能的C語(yǔ)言程序，利用opencores提供的工具鏈編譯成機(jī)器碼，作為OR1200的測(cè)試用例，以便盡可能覆蓋所有處理器功能。
首先我們通過(guò)功能測(cè)試確保木馬在功能驗(yàn)證過(guò)程中不會(huì)被暴露，同時(shí)，用Perl編寫腳本統(tǒng)計(jì)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)概率(翻轉(zhuǎn)次數(shù)/仿真時(shí)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(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)置不同的Pth值，并利用腳本分析電路內(nèi)部信號(hào)節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)值Toggle，如圖5所示，隨著Pth的逐漸加大，電路的信號(hào)節(jié)點(diǎn)激活度逐漸增大。在Pth>10-3后，激活度增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩?？梢?jiàn)，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(wú)限增強(qiáng)，有一個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)也隨著Pth的增大而增大，在Pth>10-3后，木馬的被激活個(gè)數(shù)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明木馬的發(fā)現(xiàn)個(gè)數(shù)與電路的激活度有著直接的關(guān)系。同時(shí)我們可以看到，在不同的Pth值范圍里，并不能檢測(cè)到所有植入的木馬，可見(jiàn)，本方法還有一些局限性。
圖6 木馬的發(fā)現(xiàn)個(gè)數(shù)曲線
表2顯示了試驗(yàn)中硬件開(kāi)銷，數(shù)據(jù)由Quartus II軟件的compilation report獲得?？梢钥吹?，植入的10個(gè)硬件木馬對(duì)于原始設(shè)計(jì)的硬件開(kāi)銷影響1%都不到，基本上可以忽略不計(jì)。插入dSFF的開(kāi)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(cè)木馬的時(shí)候，硬件開(kāi)銷和Pth值的選擇需要有一個(gè)折衷考慮。
3 結(jié)語(yǔ)
為了縮短硬件木馬的激活時(shí)間，本文提出了一種快速激活以檢測(cè)木馬的方法，在設(shè)計(jì)的功能驗(yàn)證測(cè)試階段，通過(guò)對(duì)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(shí)間。基于OR1200的測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于利用低活躍度信號(hào)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(cè)出來(lái)，對(duì)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?lái)說(shuō)，硬件木馬千千萬(wàn)萬(wàn)，并非本方法可以全部檢測(cè)，新的方法需要我們繼續(xù)努力研究去發(fā)現(xiàn)。
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