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作者：孟旭华中科技大学

学位级别：硕士

现代汽车早已不再是一个简单的机械式设备,现代汽车的功能取决于其上十几个甚至几十个电子控制单元。这些电子控制单元集成了众多的智能传感器,数据处理单元,通信接口等复杂模块,并通过物理双绞线连接,构成了汽车内部控制局域网CAN网络... 详细信息

现代汽车早已不再是一个简单的机械式设备,现代汽车的功能取决于其上十几个甚至几十个电子控制单元。这些电子控制单元集成了众多的智能传感器,数据处理单元,通信接口等复杂模块,并通过物理双绞线连接,构成了汽车内部控制局域网CAN网络。随着汽车智能化程度的提高,电子控制单元数量的增多,汽车内部网络中数据的信息安全问题也凸显严峻。对汽车内部网络发起的攻击行为将有可能直接对车身造成物理影响,威胁到驾驶人员的人身财产安全,因此开展汽车网络信息安全研究有着十分重要的价值意义。本文首先介绍了CAN总线协议的相关知识及工作原理,讨论了CAN网络面临的安全威胁和潜在的攻击入口。站在攻击者的角度,利用总线明文广播且缺乏认证字段的潜在漏洞,设计重放、模糊攻击等手段,展开了对汽车的攻击测试实验。并在其基础上提出了逆向常规数据包消息的有效方法,通过破解常规控制指令,可以取得汽车功能的控制权。接着分析诊断包的协议特点,介绍了一种基于服务扫描的方法来获取诊断协议服务的相关支持信息,并证实了利用诊断指令控制汽车的可行性。最后本文在以上研究基础上,设计开发了一款具有数据收发功能,以及集成攻击测试、指令逆向,服务扫描等功能的车载CAN网络安全测试平台。通过对实际车辆展开的测试实验,证实了重放、模糊攻击行为的普适性和有效性,并成功破解了汽车速度,档位,离合等状态信息指令,以及实现了对车门锁,转向灯,仪表盘等功能的物理控制。实验结果表明,当前汽车网络无论是重要隐私信息方面还是控制指令信息方面,均面临多种方式攻击入侵的可能,开展安全测试工作可以检测和发现其中的安全威胁,以帮助在产品开发过程中减轻漏洞与风险。

关键词：汽车CAN总线信息安全安全测试软件平台逆向破解

针对AES的时钟错误注入攻击和防御对策研究

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针对AES的时钟错误注入攻击和防御对策研究

作者：乔义飞华中科技大学

学位级别：硕士

计算机网络的普及和通信技术的发展使得人们对信息安全的需求日益增强,因此密码算法被广泛应用于各种设备中。但是密码算法并不能保证信息的绝对安全,错误注入攻击可以通过向加密过程注入错误,分析出错的加密结果从而得到密钥。错误注... 详细信息

计算机网络的普及和通信技术的发展使得人们对信息安全的需求日益增强,因此密码算法被广泛应用于各种设备中。但是密码算法并不能保证信息的绝对安全,错误注入攻击可以通过向加密过程注入错误,分析出错的加密结果从而得到密钥。错误注入攻击的实施代价不高,但攻击成功率较高,对密码设备的安全构成了重大威胁。本文提出了一种针对AES加密算法的时钟错误注入攻击方案,该方案包括错误攻击方法和错误注入技术两部分。本文比较和改进了已有的错误攻击方法,提出了一种新的攻击方法来利用错误密文恢复密钥。该方法只对错误的注入时机有要求,对注入的错误字节数没有限制。通过在时钟信号指定周期中添加毛刺使得密码电路违背时序约束从而出错,并为此设计了一个时钟毛刺产生器。为了进行实际攻击,本文还设计了一个攻击实验平台,使用FPGA开发板实现了AES加密算法,利用外部时钟信号产生了时钟毛刺,使用PC对实验数据进行处理。本文对提出的攻击方案进行了软件模拟实验和实际攻击实验。软件模拟攻击在Visual C++6.0开发环境下进行,实验结果证明了本文使用的错误模型理论和错误攻击方法的正确性。实际攻击是在本文设计的攻击实验平台上进行的,实验结果表明如果时钟毛刺频率合适,只需要6个错误密文就可以计算出加密密钥。最后本文还提出了针对文中攻击方案的防御对策。

关键词： AES 错误注入攻击时钟毛刺防御对策

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IP核安全路径的选取与可组合证明

IP核安全路径的选取与可组合证明

作者：姚旭宁华中科技大学

学位级别：硕士

现代半导体芯片规模越来越大、设计越来越复杂,为了缩短开发周期、降低设计成本,芯片中往往会使用大量IP核。而这些IP核往往由第三方提供,其安全性无法保证,恶意厂商可能会在IP核中植入后门或硬件木马,导致整个芯片和系统的信息安全受... 详细信息

现代半导体芯片规模越来越大、设计越来越复杂,为了缩短开发周期、降低设计成本,芯片中往往会使用大量IP核。而这些IP核往往由第三方提供,其安全性无法保证,恶意厂商可能会在IP核中植入后门或硬件木马,导致整个芯片和系统的信息安全受到严重威胁,因此需要可靠的验证手段来检测第三方IP核的安全性。本文提出了一种基于形式化验证的属性验证方法,用于第三方IP软核RTL级信息流安全检测,结合IP核的安全需求对IP核的安全属性进行描述,制定符合形式化验证的规范描述方式,可以在不影响原电路正常功能的前提下,自动的对IP核是否满足安全属性进行检测。本文对IP核安全路径验证的基本理论进行分析,介绍了IP核安全路径验证所需的环境及方法。所提出的IP核代码污迹标记和追踪方法通过寄存器级的污迹标记位,可以更加直观地观测IP核中的信息流走向,从而分析出IP核中数量庞大而复杂的数据路径,加上安全属性的描述,以构建良好的验证环境。现有的可信度验证方法不能同时兼顾效率和准确性的优点,在众多的安全路径中,有一些是安全需求不关注的,如果穷举所有路径进行验证就会浪费大量的时间和精力,本文详细介绍了如何选取关键路径并且切断无关路径以提高检测的效率和准确性;同时针对可能面对的级联复杂的超长路径,传统的验证方法无法对其直接进行检测,本文提出的超长路径的可组合性证明方法巧妙的将其转化为几条短路径的组合性证明,降低了验证工作的难度。本文设计并实现了一个自动化工具链,并对该工具链的整体方案和程序函数进行详细的说明,实现了安全路径的选取和组合性证明,并针对TrustHub上含有硬件木马或后门的Verilog代码和IP核进行了测试,包括加密类IP核(AES、3DES)、通信类IP核(RS232)、总线IP核(CAN)等等,成功地检测出IP核的信息安全问题,并且与传统方法相比提高了检测的效率和准确性,表明本文提出的验证方法对第三方IP核的安全性检测有非常重要的参考价值。

关键词： IP core 安全路径验证安全属性描述污迹标记安全路径选取超长路劲可组合证明

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低成本射频识别安全协议的研究与设计

低成本射频识别安全协议的研究与设计

作者：梁浩华中科技大学

学位级别：硕士

射频识别(RFID)技术是随着通信技术和集成电路技术的发展与成熟而逐渐兴起的一项自动识别技术。随着RFID技术研究的深入和不断走向实用,RFID技术所带来的安全问题和隐私威胁引起了人们极大的关注。目前,RFID系统的安全和隐私问题已成为... 详细信息

射频识别(RFID)技术是随着通信技术和集成电路技术的发展与成熟而逐渐兴起的一项自动识别技术。随着RFID技术研究的深入和不断走向实用,RFID技术所带来的安全问题和隐私威胁引起了人们极大的关注。目前,RFID系统的安全和隐私问题已成为制约RFID技术广泛应用的主要因素之一。利用密码学的方法来解决RFID的安全问题一直是该领域研究的热点之一,这也是本文的研究目标。首先,本文在对RFID系统的安全风险与隐私威胁进行深入研究的基础上,对现有的典型低成本RFID安全协议进行了分析和总结,提出了一种新的低成本、高安全性的交互认证协议,并给出了这些安全协议的性能对比。其次,对适用于低成本RFID系统的安全协议的加密算法进行了研究,给出了通用Hash函数的安全性分析以及低成本硬件实现结构。最后,完成了一款符合ISO/IEC15693标准的安全标签芯片数字控制器的设计,包括协议分析,安全指令的制定,EEPROM存储空间的划分以及整个数字系统的架构设计和子模块设计。安全标签芯片数字控制器各个模块的功能仿真和后仿真都在ModelSim SE 5.7的环境下完成。芯片的综合采用了SMIC 0.35μm嵌入式EEPROM工艺库。功能仿真和后仿真的结果表明该数字控制器的设计符合既定的要求;面积和功耗的分析也表明完全符合低成本的设计要求。

关键词：射频识别安全隐私交互认证数字控制器 ISO/IEC15693

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基于FPGA的仲裁器PUF的实现

基于FPGA的仲裁器PUF的实现

作者：王耀冬华中科技大学

学位级别：硕士

物理不可克隆函数(Pyhsical Unclonable Function,PUF)作为一种新兴的信息安全技术,能够很好的确保传统加密算法如AES、RSA等在加解密过程中需要利用到的密钥的存储安全,而仲裁器PUF作为众多物理不可克隆函数中的一种,由于其结构简单、... 详细信息

物理不可克隆函数(Pyhsical Unclonable Function,PUF)作为一种新兴的信息安全技术,能够很好的确保传统加密算法如AES、RSA等在加解密过程中需要利用到的密钥的存储安全,而仲裁器PUF作为众多物理不可克隆函数中的一种,由于其结构简单、拥有丰富的“激励-响应”对以及成本低等优点受到了人们广泛的关注。仲裁器PUF利用对称路径的传输延时的不同产生响应,因此对于对称路径的要求十分严格,在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上实现仲裁器PUF往往会受到FPGA内部布线的影响,不如在专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)中做到信号路径的完全对称,因此最终产生的响应带有偏置。本文针对在FPGA上实现仲裁器PUF存在连线无法完全对称的问题,提出了一种自适应可调整的补偿电路结构,利用可编程延时线(PDL)与多路选择器(MUX)作为补偿电路的主体结构,对最终产生的响应进行分组查找,寻找出能够保证具有最好随机性的值。此外还引入了多模冗余的思想改善仲裁器PUF的稳定性,对于相同的激励,在测量奇数次之后统计出现次数最多的值作为最终响应,用于减小每次产生的响应之间的误差。为了验证设计的正确性,搭建了测试系统用于测试实现后的仲裁器PUF的性能,利用上位机进行初始激励的发送以及最终响应的接收,并在电脑端进行了片内和片间汉明距离的计算。最终通过实验表明,在增加并实现了补偿电路与多模冗余之后,改进后的仲裁器PUF的片内汉明距离控制在4.36%左右,片间汉明距离达到了49.95%,产生响应的随机性达到了49.98%,最终达到了设计目的。

关键词：物理不可克隆函数现场可编程门阵列补偿算法多模冗余

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基于AES的安全协处理器设计与实现

基于AES的安全协处理器设计与实现

作者：郭超华中科技大学

学位级别：硕士

随着嵌入式产品的迅速发展以及产品设计的越来越开放，嵌入式产品的知识产权保护日益成为产品开发者关注的焦点，同质化的硬件解决方案使得越来越多的产品开发者将其核心竞争力融入在嵌入式软件内，因此如何保护嵌入式软件安全成为了保... 详细信息

随着嵌入式产品的迅速发展以及产品设计的越来越开放，嵌入式产品的知识产权保护日益成为产品开发者关注的焦点，同质化的硬件解决方案使得越来越多的产品开发者将其核心竞争力融入在嵌入式软件内，因此如何保护嵌入式软件安全成为了保护嵌入式产品的关键。文章首先分析了嵌入式软件的特点以及安全威胁来源，然后介绍了几种常见的嵌入式软件防护方案及其优缺点，在此基础上提出一种基于AES的安全协处理器的嵌入式软件防护机制，并对该安全协处理器进行了设计实现。基于协处理器的嵌入式软件防护机制有效解决了纯软件保护方案占用系统资源大的短板，以及其他硬件保护方案只单一提供身份认证的不足。该安全协处理器采用异构S盒的AES协处理器对主机身份进行验证以及对用户数据和程序进行加密处理，同时内置的EEPROM存储器能够对用户数据及程序进行安全存储。考虑到嵌入式系统资源有限等特点，安全处理器设计实现过程中采取多种优化结构和算法以在安全性、面积、速度和功耗之间取得良好平衡。在系统架构的基础上，对各个功能模块进行划分，按照ASIC设计的标准流程，用verilog硬件描述语言对该协处理器进行设计，然后采用Modelsim进行功能仿真，搭建FPGA平台进行硬件验证，在HuaHong NEC0.35微米工艺库下采用DesignCompiler进行综合，并用Astro对其进行后端版图设计，最终在HuaHong NEC成功实现流片，并对流片后的芯片搭建硬件平台进行测试，测试结果表明该安全协处理器能够满足预期要求。

关键词：嵌入式系统协处理器安全加密

基于渗透测试与模糊测试的车内网络漏洞挖掘技术研究与实现

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基于渗透测试与模糊测试的车内网络漏洞挖掘技术研究与实现

作者：杨钱钱华中科技大学

学位级别：硕士

随着汽车电子集成度越来越高以及与物联网的结合,现代汽车已不是简单的物理控制系统,智能化程度越高的汽车集成的电子控制单元越多。通过总线连接的大量电子控制单元形成了复杂的车内网络,实现自动驾驶、信息娱乐等各种复杂功能。在汽... 详细信息

随着汽车电子集成度越来越高以及与物联网的结合,现代汽车已不是简单的物理控制系统,智能化程度越高的汽车集成的电子控制单元越多。通过总线连接的大量电子控制单元形成了复杂的车内网络,实现自动驾驶、信息娱乐等各种复杂功能。在汽车不断智能化的同时,高度复杂的车内网络让车辆信息安全面临严峻考验。攻击者可以通过各种手段发起攻击,最终侵入CAN总线网络实施精准的汽车控制,危害汽车乘员人身财产安全。在此背景下,研究汽车CAN总线网络的安全性、入侵手段以及防护方法具有十分重要的现实意义。本文首先在研究车控网络技术的基础上,提出针对CAN的渗透测试方案。依据常见的攻击手段,用ID频率比对、特征值对比的方法逆向分析CAN总线常规数据报文;通过扫描ID、主服务、子功能及其参数的方法对诊断数据报文进行全面探测。其次,在渗透测试的基础上设计模糊测试引擎,包括两种数据报文的数据生成模块、数据收发模块、异常监测模块。常规数据报文模糊测试引擎旨在造成车辆功能紊乱的同时发现数据异常;诊断数据报文模糊测试引擎旨在发现车内网络不满足UDS协议的异常。通过对实际车辆进行测试,证明了渗透测试的良好效果。其中,用重放攻击等常规攻击手段严重影响车身功能,破解了常规数据报文中控制转向灯、车门锁等功能的ID与数据域,扫描出整个诊断数据报文的ID、主服务和部分ECU子功能。本文设计的模糊测试方案同样发现了实际车辆的安全漏洞。常规数据报文模糊测试成功造成车身异常,异常检测模块通过计算信息熵成功检测出异常并发出警报;诊断数据报文模糊测试通过注入数据并实时监控,成功测试出低速网络中大量不满足UDS协议的异常响应和高速网络中渗透测试尚且难以捕捉到的肯定响应,且全部成功复现并作出漏洞评估。上述结果均证明本文设计方案的有效性和普适性,证明实际车辆存在较大安全隐患,帮助安全产品开发与研究人员测试车辆网络的安全风险以提出相应的保护措施。

关键词：车联网信息安全渗透测试模糊测试 UDS协议

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无源RFID标签芯片能量获取技术的研究

无源RFID标签芯片能量获取技术的研究

作者：惠雪梅华中科技大学

学位级别：硕士

射频识别(RFID)是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID系统主要由两个部分组成:阅读器(又称询问机、读卡器、信号发射机)和电子标签(又称应答器、信号接收机)。能量获取是无源RFID标签芯片中的关键部分,它是标... 详细信息

射频识别(RFID)是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID系统主要由两个部分组成:阅读器(又称询问机、读卡器、信号发射机)和电子标签(又称应答器、信号接收机)。能量获取是无源RFID标签芯片中的关键部分,它是标签芯片与外界的接口,它将天线上感应到的磁场能量或电磁能转化为内部可以应用的电能,同时,这也是一个交流到直流的转换。首先,本文系统的研究了RFID标签的两种能量获取方式——电感耦合式和电磁耦合式,分析了谐振网络和匹配网络的重要作用,并对品质因数和功率传输系数的影响因素进行了重点分析。其次,在这两种能量获取方式的基础上,分别研究了高频RFID电子标签和超高频RFID电子标签的整流电路,建立了恰当的理论模型,对理论模型进行了深入的分析,研究了输出电压和能量转换效率的影响因素。在理论研究的基础上完成了基于ISO15693协议的高频RFID电子标签的整流电路和基于ISO18000-6C协议的超高频RFID电子标签的电荷泵倍压整流电路的设计。对设计的电路进行仿真,将仿真结果与理论分析的结果进行比较分析,验证了理论模型的实用性。最后,以高频RFID标签芯片为例,研究了RFID能量获取的后端设计,针对噪声、器件匹配、工艺等对电路性能的影响,在版图设计上提出了可行性建议。给出了标签芯片的测试结果。

关键词：射频识别能量获取阻抗匹配功率传输系数能量转换效率

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嵌入式系统异常检测模型的硬件实现

嵌入式系统异常检测模型的硬件实现

作者：裴根华中科技大学

学位级别：硕士

对于嵌入式系统的未知恶意软件检测一直都是一个挑战。嵌入式系统由于受计算能力和功耗等因素的限制,并不适合于传统的计算机病毒防御方式。基于人工免疫系统理论的入侵检测技术模仿了生物免疫系统的机制,通过随机生成以及否定选择的过... 详细信息

对于嵌入式系统的未知恶意软件检测一直都是一个挑战。嵌入式系统由于受计算能力和功耗等因素的限制,并不适合于传统的计算机病毒防御方式。基于人工免疫系统理论的入侵检测技术模仿了生物免疫系统的机制,通过随机生成以及否定选择的过程产生检测器集,以少量的检测器检测大量的非我元素,正好可以弥补嵌入式系统在病毒防护上可用资源有限的这一特点。然而目前并没有成熟的基于人工免疫算法的入侵检测系统在嵌入式系统上的硬件实现方式。限制了其在嵌入式系统中的应用。本文通过对生物免疫原理和人工免疫系统否定选择算法的研究,总结出了传统的否定选择算法中存在的最关键性三个不足:检测器生成效率低、检测器覆盖空间重叠以及检测器覆盖空间的黑洞问题。通过分析发现产生这些不足的关键原因在于:首先传统的否定选择算法在元素匹配规则上大多使用固定阈值,导致单个检测器覆盖空间大小一定;其次,传统的否定选择算法模型没有有效的自我集元素筛选存储规则,导致自我集中的元素存在冗余以特性分布不均匀。针对这些不足之处,本文提出了阈值可变的否定选择算法。该算法引入自体元素匹配阈值、可变阈值的检测器匹配规则和计算覆盖率的检测器生成过程结束方式,大幅提高了检测器集的生成效率,同时减小了相同检测器数量下检测器覆盖空间的黑洞大小。该算法描述的检测器可变阈值计算规则完全解决了检测器覆盖空间重叠的问题。最后本文通过实验仿真对提出的算法作出了有效性验证,并对该算法作出了硬件实现上的优化,完成了基于可变阈值的否定选择算法的硬件实现。通过将本文中设计的硬件免疫系统集成入嵌入式处理器,使之能与嵌入式处理器同步运行,实时完成嵌入式系统的异常检测。

关键词：嵌入式处理器硬件免疫否定选择算法检测器

一种基于延时电路的PUF设计及其核心特性预测的研究

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一种基于延时电路的PUF设计及其核心特性预测的研究

作者：贺宇征华中科技大学

学位级别：硕士

芯片安全是嵌入式电子产品至关重要的保障,传统的芯片安全防护措施只能在一定程度上增加了攻击者盗取芯片数据的难度,加大了攻击者攻击芯片信息所付出的代价,并不能从根本上杜绝攻击者对芯片数据的盗取。物理不可克隆函数(Physical Uncl... 详细信息

芯片安全是嵌入式电子产品至关重要的保障,传统的芯片安全防护措施只能在一定程度上增加了攻击者盗取芯片数据的难度,加大了攻击者攻击芯片信息所付出的代价,并不能从根本上杜绝攻击者对芯片数据的盗取。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions:PUF)是一种利用激励-响应对(Challenge Response Pairs:CRPs)来产生密钥的办法,CRPs之间的对应关系仅由设备个体在制造过程中的某些物理差异所决定,这是因为每块IC芯片有且仅有其唯一的物理特性,无法被预测无法被克隆。本文首先介绍了PUF电路基本原理和核心特性,重点描述了基于延时电路的仲裁器PUF(Arbiter PUF)和环形振荡器PUF(RO PUF)的核心电路结构与发展历史,针对传统延时PUF存在电路不完全对称、核心特性差的问题,本文在其基础上优化了核心延时电路结构,提出了一种新型延时PUF,完成了电路原理图设计以及信号激励模块、延时电路模块和串口通信模块的RTL级模块搭建。同时,根据PUF延时参数分析,本文还提出了一种延时PUF预测模型,根据已测得的数据可以预测该PUF芯片的核心特性。本文在Cadence平台中对两种延时PUF进行了Monte Carlo仿真分析,结果表明这种结构的延时PUF具有良好的核心特性和抗老化能力。同时在Matlab中建立PUF参数模型和核心特性预测模型,在FPGA平台中验证了该模型的适用性。

关键词：芯片安全物理不可克隆函数延时电路预测模型老化测试