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基于数据预处理的侧信道分析优化方法

赵毅强 王庆雅 马浩诚 张启智 叶茂 王汉宁 何家骥

赵毅强, 王庆雅, 马浩诚, 张启智, 叶茂, 王汉宁, 何家骥. 基于数据预处理的侧信道分析优化方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(1): 49-58. doi: 10.11999/JEIT211462
引用本文: 赵毅强, 王庆雅, 马浩诚, 张启智, 叶茂, 王汉宁, 何家骥. 基于数据预处理的侧信道分析优化方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(1): 49-58. doi: 10.11999/JEIT211462
ZHAO Yiqiang, WANG Qingya, MA Haocheng, ZHANG Qizhi, YE Mao, WANG Hanning, HE Jiaji. Side Channel Analysis Optimization Method Based on Data Preprocessing[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(1): 49-58. doi: 10.11999/JEIT211462
Citation: ZHAO Yiqiang, WANG Qingya, MA Haocheng, ZHANG Qizhi, YE Mao, WANG Hanning, HE Jiaji. Side Channel Analysis Optimization Method Based on Data Preprocessing[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(1): 49-58. doi: 10.11999/JEIT211462

基于数据预处理的侧信道分析优化方法

doi: 10.11999/JEIT211462
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFB3100903),国家自然科学基金(62004112)
详细信息
    作者简介:

    赵毅强:男,教授,研究方向为集成电路设计与安全

    王庆雅:女,硕士生,研究方向为集成电路设计与安全

    马浩诚:男,博士生,研究方向为集成电路设计与安全

    张启智:男,博士生,研究方向为集成电路设计与安全

    叶茂:男,副教授,研究方向为集成电路设计与安全

    王汉宁:男,高级工程师,研究方向为集成电路设计与安全

    何家骥:男,副研究员,研究方向为集成电路设计与安全

    通讯作者:

    何家骥 dochejj@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN918

Side Channel Analysis Optimization Method Based on Data Preprocessing

Funds: The National Key Research and Development Plan (2021YFB3100903), The National Natural Science Foundation of China (62004112)
  • 摘要: 电磁侧信道信息具有数据庞杂无序,信噪比低的特征,对侧信道分析的结果存在较大影响。针对电磁侧信道数据的特性,该文提出一种最小相关差值的对齐方法,通过参考信号的自相关函数与待对齐信号的互相关函数之间的相似度来估计延时差值。同时,提出一种K奇异值分解(KSVD)字典学习的降噪方法,交替迭代进行稀疏编码和字典更新来滤除高频噪声。为了验证数据预处理方法对侧信道分析结果的优化效果,设计并搭建了电磁侧信道测评系统,并基于实际芯片进行了近场电磁侧信道信息采集与分析。该文使用所提预处理方法对电磁数据进行对齐与降噪,通过t-test泄露评估与相关性电磁分析,对比最大相关系数对齐与小波降噪方法,能够将侧信道攻击的效率分别提高29.91%和55.23%。
  • 图  1  最小相关差值法对齐流程图

    图  2  KSVD字典学习法降噪流程图

    图  3  AES-128加密芯片版图与实物图

    图  4  平台整体架构

    图  5  侧信道信息测评平台工作流程

    图  6  AES-128密码芯片的电磁辐射采集

    图  7  AES加密电磁曲线

    图  8  芯片表面电磁辐射区域地图

    图  9  对齐前后电磁曲线对比

    图  10  KSVD降噪前后电磁曲线对比

    图  11  原始曲线侧信道攻击相关性结果

    图  12  对齐曲线侧信道攻击相关性结果

    图  13  对齐与降噪曲线侧信道攻击相关性结果

    图  14  FPGA侧信道攻击相关性结果

    图  15  AES芯片侧信道攻击相关性电磁地图

    图  16  FPGA侧信道攻击相关性电磁地图

    表  1  不同对齐方法的MTD值

    对齐方法 A点(x=800 μm, y=300 μm)B点(x=1000 μm, y=200 μm)C点(x=0 μm, y=0 μm)
    最大相关系数对齐960876330
    最小相关差值对齐737614313
    下载: 导出CSV

    表  2  不同降噪方法的MTD值

    降噪方法 A点(x=800 μm, y=300 μm)B点(x=1000 μm, y=200 μm)C点(x=0 μm, y=0 μm)
    小波降噪688429293
    KSVD降噪308361244
    下载: 导出CSV

    表  3  SNR计算结果(a.u.)

    未对齐对齐对齐+降噪
    A点(x=800 μm, y=300 μm)0.63220.77290.8409
    B点(x=1000 μm, y=200 μm)0.54730.76710.7995
    C点(x=0 μm, y=0 μm)0.53150.90840.9000
    FPGA(x=0 mm, y=0 mm)0.56060.75820.7626
    下载: 导出CSV

    表  4  t-test评估结果

    未对齐对齐对齐+降噪
    A点(x=800 μm, y=300 μm)4.04374.43235.0613
    B点(x=1000 μm, y=200 μm)0.51884.51414.9890
    C点(x=0 μm, y=0 μm)1.23556.57637.3486
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-08
  • 录用日期:  2022-03-09
  • 修回日期:  2022-02-28
  • 网络出版日期:  2022-03-16
  • 刊出日期:  2023-01-17

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