摘 要： FPGA器件安全性包括數據安全性和應用程序安全性兩部分。FPGA生命周期的各個階段對其安全性都會產生至關重要的影響，由于FPGA電路在設計和生產中的脆弱性，使得惡意木馬電路能夠有機可乘。針對FPGA器件開發階段，以FPGA密碼模塊為目標，設計能夠泄露密鑰的惡意木馬后門電路，對于了解硬件木馬實現機理、警示FPGA芯片安全具有重要作用。
關鍵詞： 惡意木馬; FPGA安全; 硬件后門; 密碼模塊
硬件惡意木馬電路是惡意攻擊者在量產集成電路(IC)的設計、制造或二次開發等過程中，出于某種特殊目的人為制造的非法電路[1-3]。這種硬件攻擊方式通過預先設定“電子后門”，可以輕易地繞過硬件密碼等安全壁壘，對現行的硬件安全模型構成重大威脅。目前還沒有阻止硬件木馬出現的有效辦法,其根本原因是由于IC設計與制造的全球化過程并不能保證其使用安全性。此外，對于一般設計者來說，在設計過程中使用了非可信第三方開發的軟件工具、IP核或標準單元，也會不自覺形成硬件木馬。但是對于軍方和安全情報部門，為了獲取情報或其他目的,植入硬件木馬是非常理想的選擇[4]。
本文研究了芯片硬件木馬實現的基本方法，并且針對集成電路在初始設計和后續生產等環節中存在的安全隱患，在現有的商用FPGA平臺上設計了一種無線載波泄密型硬件木馬，使目標芯片能夠在正常加解密工作的同時，以使用者不能察覺的方式通過載波將密鑰傳送出來。
1 FPGA安全性與硬件木馬
FPGA器件作為一項成熟技術，已經被廣泛應用到軍事、空間、電子消費產品和汽車等各個領域，是現代密碼協議、算法實現的優選平臺。但與此同時，其安全性也受到人們的廣泛關注。目前對FPGA安全性的研究主要有兩個方面：(1)FPGA的數據安全性，必須提供對FPGA上運行的應用程序的保護。芯片內部數據以及與外圍電路之間的通信數據都需要被保護，主要方法是在FPGA內部集成數據加密方案。(2)FPGA的設計安全性，即如何設計FPGA以抵御克隆及逆向工程方法的攻擊，傳統上也就是知識產權(IP)保護。
FPGA器件的生命周期可分為3個階段： (1)制造階段中，主要依賴于第三方制造公司(通常位于亞洲)來制造物理器件;(2)設計開發階段中，設計開發人員將FPGA組合成一個最終的系統, 并對其編程以實現它的功能;
(3)發行使用階段中，FPGA能夠被廣泛的使用。圖1所示分別對這3個階段的FPGA密碼器件安全問題進行了描述[5]。
在FPGA生命周期的各個階段，其自身的安全性都可能受到來自硬件木馬電路的威脅。攻擊者將針對FPGA整個生命周期中最薄弱的環節和最易發現的弱點進行攻擊。由于芯片的設計、制造、測試在不同的公司，甚至是不同的國家，保持整個生產環節的安全是很困難的，使得FPGA芯片內的安全狀態可以被惡意程序非法讀取或破壞，惡意實體能夠通過程序和數據更新機制更改硬件的可信度。總之，在FPGA生命周期的每個步驟中均可能生成硬件木馬。
硬件惡意木馬可以實現三類功能： (1)篡改硬件功能，通過增加、刪減或繞過已有電路邏輯的方式來改變電路功能；(2)篡改硬件規格，通過修改線路和晶體管幾何形狀等方式改變電路的參數特征，使得電路芯片可靠性降低并在特定的激勵效應下失效；(3)泄漏秘密信息，通過設計特殊的電路傳遞密鑰等秘密信息，或植入具有定位功能的芯片完成相關工作[6]。
本文針對FPGA器件設計開發階段，以商用FPGA器件加解密模塊為研究目標，設計并開發了嵌入加密模塊內部的泄密型硬件木馬電路，對于研究FPGA硬件攻擊技術原理、提高芯片安全等級、加強敏感數據保護、警示集成電路芯片安全具有重要作用。
2 FPGA密碼模塊惡意木馬后門設計
本文以運行RSA密碼算法的FPGA器件加解密模塊為研究對象，在該平臺內嵌入載波型硬件木馬原型電路，實現通過AM載波將平臺加解密密鑰信息對外廣播， 從而實現木馬設計者利用無線接收機接收加解密密鑰。
FPGA器件主平臺上運行RSA密碼算法加解密模塊，為方便監控，利用PC串口發送程序向FPGA密碼模塊發送明文(待加密信息)，在密碼模塊進行加密操作后，FPGA平臺將密文(已加密信息)反饋給PC。這是FPGA平臺工作的主要流程。FPGA器件選用Xlinx公司Spantan3系列的XC3S400芯片，整個FPGA平臺有4大組成部分：(1)時鐘模塊，用于轉換所需時鐘；(2)串口接收模塊，用于接收PC送來的明文；(3)加密模塊，用于運行DES算法；(4)串口發送模塊，用于將加密后的密文發送給PC進行顯示。
FPGA平臺的整體設計如圖2所示，木馬電路的工作是在平臺運行加密操作的同時獲取加密密鑰，并將密鑰信息進行調制后經AM載波向外部傳遞。木馬電路具體設計如圖3所示，硬件木馬電路在FPGA平臺進行加密操作時，由keymo模塊獲取加密密鑰，經AMPro模塊，由Beep4引腳接到電路板的插座上，將密鑰通過AM調制方式發射出來，并可用無線接收機進行接收。
電路存在兩種工作狀態： (1)在木馬電路未激活時，芯片以正常方式工作，接收PC傳來的明文，并對明文進行RSA加密操作；(2)激活硬件木馬電路。通過向電路發送“lucky”字符的方式激活木馬電路，之后，RSA密碼程序正常工作，而與此同時，FPGA芯片可以通過將電路板上AMPro模塊插座的Beep4引腳作為天線的方式實現將RSA密碼算法進行加密的密鑰通過載波的方式暗中發射出來。
本文實現了通過1 560 kHz和50 MHz兩種載波頻率完成無線信號發送任務的模式。在實際的應用中也可以實現更多的頻率，相對發射距離與所選擇的信號頻率成正比關系。以1 560 kHz發射為例，Beep4用于產生方波，在進行RSA密碼加密時，配合一個26位時鐘的AMPro計數器模塊，密鑰寄存器keymo模塊就可以將輸入密鑰以串行模式進行輸出。
本文以商用FPGA密碼模塊為研究目標,設計并實現了載波泄漏型惡意木馬后門電路，驗證了在FPGA器件生命周期的設計開發階段植入安全威脅的可行性，對于集成電路設計、加工、使用過程中的安全問題起到了一定的警示作用。
參考文獻
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