嵌入式系統(tǒng)安全的密碼算法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究.pdf

1、近些年，隨著移動(dòng)計(jì)算、分布式計(jì)算直至普適計(jì)算的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)得到了最為廣泛的應(yīng)用。但與傳統(tǒng)的桌面計(jì)算和企業(yè)互聯(lián)相比，嵌入式計(jì)算的安全性是一個(gè)更為開放、更為復(fù)雜、需要長期關(guān)注的問題。設(shè)計(jì)者需要在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，把適宜的安全強(qiáng)度，與其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如成本、性能和功耗等一起權(quán)衡考慮。此外，嵌入式系統(tǒng)的廣泛使用和應(yīng)用環(huán)境的開放性使得其實(shí)現(xiàn)自身的安全性也必須被充分關(guān)注。 從終端用戶的角度，本文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的安全需求、安

2、全實(shí)現(xiàn)分別從算法級(jí)和體系結(jié)構(gòu)級(jí)兩個(gè)層次進(jìn)行重點(diǎn)研究。 首先，論述了嵌入式系統(tǒng)的安全工程需求與密碼算法之間的關(guān)系，選擇了合適的密碼算法原語AES-128、ECC-GF(2163)、SHA-1，為全文研究確立了研究對(duì)象。進(jìn)一步分析了嵌入式安全中密碼算法的實(shí)現(xiàn)安全性，以及密碼算法在嵌入式安全工程中的應(yīng)用。 其次，針對(duì)AES-128、ECC-GF(2163)、SHA-1算法原語，我們?cè)谖⒔Y(jié)構(gòu)層次對(duì)三者的電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。實(shí)

3、現(xiàn)結(jié)果表明，基于2個(gè)S盒，8位數(shù)據(jù)總線寬度的AES-128電路最適合資源嚴(yán)格受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)節(jié)點(diǎn)使用。應(yīng)用數(shù)位模乘、Montgomery Ladder點(diǎn)乘實(shí)現(xiàn)的ECC-GF(2163)處理器具有面積和能耗的最佳折衷。通過折疊的數(shù)據(jù)通路、改進(jìn)的進(jìn)位跳躍加法器(CSKA，Carry Skip Adder)實(shí)現(xiàn)的SHA-1電路，能夠使性能和面積均得到較大改善。 接下，以旁路

4、泄漏分析來考查密碼算法電路實(shí)現(xiàn)自身的物理安全性。我們建立了基于仿真功耗和真實(shí)功耗的功耗分析攻擊(DPA，Differential Power Analysis)測試平臺(tái)，分別對(duì)AES-128和Montgomery Ladder電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了功耗和時(shí)間的攻擊分析。提出了一種基于最大偏差的功耗分析方法，能夠以較低的計(jì)算復(fù)雜度攻擊出AES電路加密密鑰。同時(shí)，提出一種異構(gòu)S盒-隨機(jī)字節(jié)替換抗攻擊策略，該方法能夠以較小的代價(jià)顯著地增強(qiáng)電路的抗功耗

5、攻擊特性。對(duì)于ECC-GF(2163)的(DA，Double-Add)算法實(shí)現(xiàn)，我們研究了時(shí)間攻擊與隨機(jī)數(shù)隱蔽方法，DPA實(shí)驗(yàn)證明ECC-GF(2163)的Montgomery Ladder實(shí)現(xiàn)僅能夠抵御時(shí)間攻擊和簡單功耗分析(SPA，Simple Power Analysis)攻擊，但依然易受DPA攻擊。此外，我們?cè)贏tmel AT89C55微控制器上驗(yàn)證了漢明功耗模型，并對(duì)該器件的DPA泄漏進(jìn)行了量化分析。 最后，本文對(duì)三個(gè)

6、嵌入式系統(tǒng)安全工程實(shí)踐進(jìn)行應(yīng)用研究，它們分別基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，嵌入式系統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域。IEEE802.15.4 CCM-AES協(xié)處理器的設(shè)計(jì)能夠最小化主處理器負(fù)載，全硬件實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4協(xié)議安全模式?；赟MIC 0.35μm 2P3M工藝和SHA-1算法實(shí)現(xiàn)的安全認(rèn)證芯片可以對(duì)主機(jī)和從機(jī)身份進(jìn)行雙向密鑰認(rèn)證。針對(duì)固態(tài)硬盤(SSD，Solid State Disk)數(shù)據(jù)安全方案，我們實(shí)現(xiàn)了基于射頻識(shí)別(R