基于K-means聚类分析的硬件木马检测方法

块； 文献 ［ ９ ］ 根 据 一 种 基 于 区域 的 暂 态 电 流 信
号 分析 方法 来减 小工 艺偏 差并 增大 漏 电流 。 本 文提 出一 种基 于 Ｋ ． ｍ ｅ ａ ｎ ｓ 算 法 的硬 件 木
马 检测 方法 ， 通 过采 集 芯 片侧 信道 功耗 信 息 ， 分
析识 别样 本 属 性 ， 选择质 心 ， 完成聚类 ， 从 而 实
法对待 测芯片进行 聚类分析 。利 用 Ｋ ． ｍ ｅ ａ ｎ ｓ 算 法 实现木 马检 测 时 ， 准确率与 功耗 数据 中存在 的 噪 声以及木 马面积的大小有 关 ， 实验 中植入 了 占芯 片原始模块 ２ ． ３ ９ ％ｆ ｆ ＇ ￣１ ． ４ ９ ％Ｎ两种木 马 ， 均能 够很好 的检测 出其 中电路 中的木 马 ． 验证 了方 法的有效性 。
［ ６ ］ 中首次提出了基于功耗信息的硬件 木马检
测方 法 ； 文献 ［ ７ ］ 对 芯 片 电源 端 的 瞬 态 电流 进 行测 量 和 区域 分 析 ． 能 够 检 测 出小 规模 的硬 件
木马 ； 文献 ［ ８ ］ 提 出利用路径延 迟生成指 纹的
方式 ， 可 以分 辨 出一些 面积 很 小 的硬 件 木 马模
第２ ４卷 第 ２期
Ｖ ｏ １ ． ２ ４ Ｎｏ ． ２
北 京 电 子 科 技 学 院学 报 Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ
关键词 ： 硬件木 马 ； 侧信道 分析 ； Ｋ ． ｍ ｅ ａ ｎ ｓ 算 法 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ０ ９ ． ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ４ ６ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ６ ） ２ － ８ ４ — ０ ４
不 同于 破 坏 性 检 测 的 高 昂 开 销 和 漫 长 周 期， 侧信 道分 析 技 术 以其 价 格 低 廉 、 检测迅速 、 准确 性 高 的 特 性 受 到 研 究 人 员 的 关 注 。文 献
现 硬件 木 马 的有 效检 测 。
法［ １ ］ 。还有 一些 研究 员 通过分 析 硬件 木 马 的攻 击 目标 、 植 入 时 机 和 触 发机 制提 出 了不 同 的分 类方 法 ］ ［ 引。硬件 木 马分 类 的 完 善 ． 促 进 了检 测方 法 的发 展 。国际 上 已经 出 现很 多类 型 的检 测 方法 ， 包括破坏性检测＿ ４ ］ 、 芯 片设 计 修 改 ［ 、 侧信 道分 析 等方 法 。
引 言
随着 集成 电路 制造 的全 球 化进 程 ， 设计 、 制 造 的分 离技 术 以及 第三 方知 识 产权 核 的广泛 应 用， 使 得芯 片 中存 在 很 多 安 全 隐患 。硬 件 木 马 是 一种 不 同于计 算 机软 件病 毒 和木 马 的硬件 漏
洞． 通 过 在 芯 片设 计 和制 造 的过 程 中植 入 恶 意 部件 ， 使 芯 片增加 额 外 的功 能 ， 或是 在 芯片 中设
置 隐 藏信 道 和 后 门 ， 从 而 窃 取 芯 片 中的 敏 感信 息 。硬件 木 马 以其 危 害大 ， 难 以 检测 的特点 ， 受 到 了安全 领域 的极 大关 注 。
近年 来 ， 对 硬件 木 马 的 研 究 已经 有 了许 多 成果 。一 些研 究人 员 提 出了一 种 针对 硬 件 木 马 的 物理 特 点 、 激 活方 式 以及 特 征 功 能 的 分 类 方
１ 硬 件木 马检 测 方 法
１ ． １ 功 耗模 型
对于一 个 由稳 压 电源 供 电 的标 准 芯 片 ， 其 功耗 可 由电 流来表 示 ： Ｉ ｓ ＝ｌ （ ｆ ， ｋ ）＋， Ｄ ＋， 。 （ １ ）
｝ 基金项 目： 中央高校基本科研业务费专项资金 （ ２ ０ １ ４ ＧＣ ＹＹ ０ ４） 作者简 介： 王柏人 ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向为芯 片安全 ； 曲呜， 女， 硕士研究生 ， 研究方 向为通信安全 。
运 行过 程 中的噪声 。 而对 于一 个 内嵌 硬 件 木 马 的芯 片 ， 由于 存
板、 示 波器 、 Ｐ Ｃ机 和 稳压 电源 ， 稳 压 电源 提 供 稳
定 电压 ， 示 波 器 探 头 对 待 测 芯 片侧 信 道 信 息 进
行 采集 ， 并传输至 Ｐ Ｃ端 利 用 ＭＡ Ｔ Ａ Ｌ Ｂ编 写 判 别程 序进 行分 析 ， 从 而实 现硬 件 木 马分类 检 测 。
一
个典 型 的分 析平 台如 图 １所示 ：
在 额外 的 恶意模 块 ， 会 产生 一定 的电流 变化 ， 即
， Ｉ ＝Ｉ （ ｆ ， ｋ ）＋， ＋， ＋， （ 厂 ， ｋ ） （ ２ ）
其 中， ， ． 为 木 马 芯 片 运 行 时所 产 生 的 总 功
耗， ， （ ， ， ｋ ） 表示 木 马模块 在 频率 下 进行 运 算 ｋ 时 的动态 电流 。式 中 ， ， 。 和 ， 的值 取 决 于 芯 片
２ ０ １ ６年 ６月
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０１ ６
基于 Ｋ — ｍ ｅ ａ ｎ ｓ 聚 类 分 析 的 硬 件 木 马 检 测 方 法
王 柏人 曲 鸣
北京 电子科技学 院 电子与通信工程 ． 北京 １ ０ ０ ０ ７ ０
摘
要： 为检 测芯 片中存在 的硬件木马 ， 利 用侧信道 分析技 术 ， 采集功耗信 息 ， 并利用 Ｋ — ｍ ｅ ａ ｎ ｓ 算
第２ ４卷
基于 Ｋ ・ ｍ ｅ ａ ｎ ｓ 聚类分析 的硬件木 马检测方法
．８ ５．
其 中， ， 为 标 准 芯 片 运 行 时所 产 生 的 总 功 耗， ｌ （ ｆ ， ｋ ） 表示 在 频率 厂下 进行 运算 ｋ的 动态 电 流； ， 。 是 工 艺偏 差 带 来 的 电流 变 化 ； 表 示 芯 片