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RISC-V平台基于PUF的硬件辅助软件认证方案研究

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RISC-V平台基于PUF的硬件辅助软件认证方案研究

作者：李雪筠合肥工业大学

学位级别：硕士

随着物联网的飞速发展,物联网设备变得愈发普遍,越来越多地应用于从消费类电子产品到工业设备的各种场景。然而,物联网设备的广泛部署也使得其成为软件盗版和攻击的目标,软件保护至关重要。未来是物联网的时代,有分析称,2020年底有上百... 详细信息

随着物联网的飞速发展,物联网设备变得愈发普遍,越来越多地应用于从消费类电子产品到工业设备的各种场景。然而,物联网设备的广泛部署也使得其成为软件盗版和攻击的目标,软件保护至关重要。未来是物联网的时代,有分析称,2020年底有上百亿台物联网设备连接,而面对一个上百亿设备推广的目标,数以千万计不同应用的需求,x86与ARM架构存在着指令集极为冗杂、专利授权十分高昂和源码难以修改等问题。在这种情况下,第五代精简指令集架构(RISC-V)应运而生,为抓住物联网风口的大发展提供助力。因此,研究基于RISC-V平台的软件保护具有重要意义。物理不可克隆函数(PUF)是一种重要的硬件安全原语,它利用生产制造过程中难以避免的工艺偏差而产生的随机物理特性,可以生成由激励到响应的函数,具有生产前难以预测、生产时难以控制、生产后难以克隆等优势,在安全领域有着广阔的应用前景。本文提出了一种RISC-V平台基于PUF的硬件辅助软件认证方案,利用PUF的特性,将软件与硬件绑定在一起来保护软件,软件仅在特定的授权设备上才能正确执行。具体工作如下:1.研究了物理不可克隆函数的经典结构设计和应用特性,针对其易受到外界环境的干扰而使得输出响应不稳定,存在着可靠性的问题,实现了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的可调仲裁器PUF电路设计,利用调整信号能够对两条路径的时延差进行分析,判定响应是否可靠。2.针对运行在RISC-V处理器上的软件易受软件盗版等攻击,提出了一种RISC-V平台基于PUF的硬件辅助软件认证方案。在RISC-V处理器中添加PUF,软件开发人员则在特定的位置插入PUF认证点,程序运行到相应的位置就会进行PUF的认证,将软件的执行与硬件绑定,即一个编译好的软件只能运行在特定的硬件上,包括软硬件认证协议、嵌入PUF的RISC-V设计和软件混淆技术三部分。3.以Vex Risc V SoC为实现平台,在Xilinx Artix-7 35T FPGA上进行了实验验证。实验表明,与其他保护方案相比,所提方案在解决PUF可靠性,避免因此带来的设计安全问题的基础上,硬件开销和性能开销较小,最大额外硬件开销小于2%,基准程序测试单个认证点的额外性能开销小于0.5%。

关键词：软件保护硬件辅助物理不可克隆函数第五代精简指令集架构现场可编程门阵列

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基于硬件辅助的防御控制流攻击方法研究

基于硬件辅助的防御控制流攻击方法研究

作者：余云飞宁波大学

学位级别：硕士

随着物联网、云计算和移动支付等技术的快速发展,嵌入式系统在军事、汽车、医疗、通讯等领域得到广泛应用,尤其是众多嵌入式系统之间网络通讯、协同处理能力也得到进一步加强,这同时也给攻击者找到可趁之机。攻击者可以利用软件漏洞实... 详细信息

随着物联网、云计算和移动支付等技术的快速发展,嵌入式系统在军事、汽车、医疗、通讯等领域得到广泛应用,尤其是众多嵌入式系统之间网络通讯、协同处理能力也得到进一步加强,这同时也给攻击者找到可趁之机。攻击者可以利用软件漏洞实施控制流攻击（Control Flow Attacks,CFA）进而对整个嵌入式系统进行控制。控制流攻击是指利用程序漏洞,通过篡改程序控制流的存储地址或控制流数据等方式,将程序导向并执行预先设定的恶意代码,达到破坏系统或盗取关键信息的目的。然而现有的防御攻击方法基本上是基于控制流完整性（Control Flow Integrity,CFI）检查控制流转移目标地址的合法性,以此达到防御控制流攻击的目的。其防御方法一般是利用软件实现,然而软件实现方法不但开销大且安全性不高,因此如何有效防御控制流攻击并且低开销实现正成为一个亟待解决的问题。与软件方法对应的硬件辅助方法具有更大的优势:不容易被篡改、指令集兼容性强、可靠性高等。本项研究通过对控制流攻击原理的深入研究与探索,针对现有防御手段的局限性,提出基于硬件辅助的防御控制流攻击方法。论文研究内容主要包括以下三部分:1.基于内置安全寄存器组（Built-in Secure Register Bank,BSRB）的防御控制流攻击方法。通过对攻击者实施控制流攻击前后堆栈中返回地址变化的研究,采用内置安全寄存器组备份堆栈原有返回地址,提出基于内置安全寄存器组的防御控制流攻击方法。该方法首先在子程序调用开始,即执行call指令时,系统将返回地址同时压入原堆栈与内置安全寄存器组;然后当子程序调用结束后,即执行ret指令时,系统将从内置安全寄存器组与原堆栈同时读出返回地址并送入比较器;最后根据返回地址是否一致达到检测并防御控制流攻击的目的。2.基于XOR门加密的防御控制流攻击方法。通过对攻击者可能同时覆盖堆栈与内置安全寄存器组绕过防御机制进而实施控制流攻击问题的研究,分别在压栈前与出栈后引入XOR门加密电路与解密电路进而偏离恶意返回地址弥补此不足,提出基于XOR门加密的防御控制流攻击方法。该方法首先在执行程序调用指令call时,利用XOR加密电路对返回地址进行加密;其次将加密后的返回地址压入堆栈和内置安全寄存器组;然后当执行程序返回指令ret时,堆栈和内置安全寄存器组的加密返回地址经过XOR解密电路偏离后送入地址比较器;最后根据对比返回地址是否一致与偏离攻击者的恶意返回地址达到判断并防御控制流攻击的目的。3.基于返回地址签名的防御控制流攻击方法。通过对攻击者可能获取密钥而构造特殊地址绕过单一加解密电路防御机制问题的研究,利用XOR加密与MD5签名算法进行连续二次加密弥补因密钥泄露而面临攻击的不足,提出基于返回地址签名的防御控制流攻击方法。该方法首先在处理器执行程序调用指令时,触发伪随机数发生器生成密钥K与压栈返回地址进行异或加密操作;其次利用具有不可逆性的MD5算法为加密后的压栈返回地址生成压栈签名值;然后在执行程序返回指令,即返回地址弹出堆栈时,使用密钥K与出栈返回地址进行异或加密,加密后的出栈返回地址作为MD5算法的输入,生成出栈签名值;最后根据压栈签名值与出栈签名值是否匹配检测并防御控制流攻击。本文采用TSMC 65nm CMOS工艺进行电路设计,使用Cadence和Synopsys公司的电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）工具实现电路仿真和验证。所提出的防御控制流攻击方法为电路系统提高安全性、降低开销成本和兼容指令集等难题提供理论依据,推动信息产业高效、安全、快速发展。

关键词：硬件辅助控制流攻击防御攻击信息安全电路设计

基于全同态加密和硬件辅助的高效隐私保护机器学习方案

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基于全同态加密和硬件辅助的高效隐私保护机器学习方案

作者：刘成金哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近些年来,由于使用机器学习技术而聚合用户数据所造成的隐私数据泄露事件频发,而数据安全与隐私保护法律也日益严格,通过各种隐私保护工具防范机器学习过程中各类隐私泄露风险成为研究热点。同态加密技术允许在密文状态下执行特定的代... 详细信息

近些年来,由于使用机器学习技术而聚合用户数据所造成的隐私数据泄露事件频发,而数据安全与隐私保护法律也日益严格,通过各种隐私保护工具防范机器学习过程中各类隐私泄露风险成为研究热点。同态加密技术允许在密文状态下执行特定的代数运算获得结果密文,将其解密后即可获得对明文进行相同代数运算的结果,非常适合云计算场景下的隐私保护机器学习方案。2017年Cheon等人提出的CKKS同态加密方案支持加密固定精度的浮点数,符合机器学习场景下的数据特征。据此,本文提出了基于CKKS同态加密方案的隐私保护机器学习方案,各个数据方将本地的数据上传至云服务方,云服务方在密文状态下进行机器学习训练,训练结束后云服务方将密文模型下发至所有的数据方解密即可得到使用全部数据训练而来的、更为泛化的模型。当前实现基于CKKS同态加密方案的隐私保护机器学习方案主要有三个困难:(1)CKKS方案仅提供了密文加法和密文乘法操作,而隐私保护机器学习方案实现中需要用到的密文减法和明文-密文运算则没有提供;(2)同态计算不能无限次执行,需要使用大量低效的同态自举操作才能完成运算复杂的密文训练过程,造成方案的整体效率低下;(3)同态运算只能执行加法和乘法,非线性的激活函数需要转换为线性化近似才能执行,造成模型准确率的损失。本文针对问题(1),对CKKS方案进行了拓展,增加了对密文减法和明文-密文运算的支持;针对问题(2),提出以下优化方法:将自举操作替换为解密、再加密的模拟自举操作,能够在提高效率的同时取得与自举一致的效果;针对问题(3),提出以下优化方法:采用解密、明文执行非线性激活函数、再将结果加密的方式执行激活函数,避免了由于线性化近似造成的模型准确率损失。然而由于云服务方持有私钥会造成隐私泄露,故上述两个优化方法需要引入一个合法的私钥持有者。本文首先提出引入数据方协助训练过程的方法,并分析了其优劣,针对其不足又提出了引入可信硬件作为协助方的方法。云服务方在进行密文训练的过程中,可信硬件协助完成模拟自举操作和非线性激活函数运算,以提高密文训练的效率和模型的准确率。可信硬件通过硬件隔离的手段保护隐私数据,安全性高且便于部署,具有良好的可行性。本文上述优化方法进行了实验验证,并对基于CKKS同态加密的隐私保护机器学习方案进行了实现。与已有的基于同态加密的隐私保护机器学习方案相比,本文所提出方案的密文训练效率和模型准确率都有了明显的提高,并且可以取得与明文训练几乎一致的模型准确率。

关键词：同态加密隐私保护机器学习硬件辅助

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PCRAM损耗均衡研究综述

计算机学报 2018年第10期41卷 2295-2317页

作者：何炎祥陈木朝李清安何静沈凡凡帅子琦徐超武汉大学计算机学院武汉430072 广东交通职业技术学院信息管理中心广州510650 肯尼索州立大学计算机科学系玛丽埃塔美国30060 南京审计大学工学院南京210029

随着半导体工艺的高速发展,计算机系统中处理器与主存之间性能差距的不断增大,传统存储器件的集成度已接近极限,能耗问题也日益突出,当前传统的主存技术面临挑战.相变随机存储器(PCRAM)具有集成度高、功耗低、非易失、字节级编址等优良... 详细信息

随着半导体工艺的高速发展,计算机系统中处理器与主存之间性能差距的不断增大,传统存储器件的集成度已接近极限,能耗问题也日益突出,当前传统的主存技术面临挑战.相变随机存储器(PCRAM)具有集成度高、功耗低、非易失、字节级编址等优良特性,是最有发展潜力的、最有可能完全取代DRAM主存的非易失性存储器之一.首先介绍了PCRAM的发展与应用现状,指出T型结构是当前学术界和产业界广泛采用的器件结构,目前已经有PCRAM产品逐步开始量产并投入商业应用.然后,介绍了PCRAM当前面临的挑战,指出PCRAM面临的写耐久性局限是限制期发展与应用的主要障碍之一,分布不均匀的写操作会使PCRAM快速失效.接着,从硬件辅助和软件辅助两个角度分别介绍了当前研究人员所提出的一些具有代表性的PCRAM损耗均衡技术,在分析和归纳当前研究现状的基础上,指出了现有方案的优点和亟待完善之处.最后,展望了未来PCRAM损耗均衡技术的研究方向,为该领域今后的发展提供参考.

关键词：相变随机存储器非易失存储器损耗均衡硬件辅助软件辅助

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基于Unikernel的轻量级云服务方法

基于Unikernel的轻量级云服务方法

作者：谭博华中科技大学

学位级别：硕士

无服务计算,又被称为“函数即服务”,是云计算领域正兴起的一个事件驱动服务模型。在无服务模型中,应用由被单独执行和管理的函数组成,由用户请求触发并动态执行。目前,云服务提供商普遍采用容器或虚拟机来执行这些函数,在无服务模型中... 详细信息

无服务计算,又被称为“函数即服务”,是云计算领域正兴起的一个事件驱动服务模型。在无服务模型中,应用由被单独执行和管理的函数组成,由用户请求触发并动态执行。目前,云服务提供商普遍采用容器或虚拟机来执行这些函数,在无服务模型中的函数通常执行时间很短(毫秒级)的情况下,容器和虚拟机的启动用时给响应用户请求带来了较高的延迟。同时,不同函数间的通信基本上依靠网络设备和共享内存完成,导致了很高的性能开销。研究发现,库的启动影响较大且产生大量重复,而且新兴技术Unikernel适用于无服务环境,因此将Unikernel作为函数提供服务(Uaa F),作为可被共享的库函数,从而降低应用的响应延迟和减少内存重复占用。首先,在此方法中,应用表现为不同的函数组合的形式,应用的请求及功能函数被分隔在不同的函数中并分别运行在单独的Unikernel——根据函数定制的最小化库操作系统中,保证了响应函数极低的启动延迟。其次,提供了一个更高效的通信模型来加速同一服务器上的不同函数间的交互。借助现存的硬件技术(VMFUNC指令),调用其它基于Unikernel的虚拟机中的函数并访问其中的数据,从而在不同虚拟机间无缝切换,类似于进程间通信。最后,部署了不同Unikernel间的函数调用的内存分配和协调机制,提供库函数的Unikernel可为多个请求提供服务,避免了不断重复的初始化。相比于普遍的无服务云计算模型,Uaa F的响应延迟不受库函数初始化的影响,不产生空闲缓存,能更有效地处理大量重复请求。对于客户机,Uaa F不引入复杂的开发,可以支持各种Unikernel,推广其在云计算领域的利用。本方法的概念原型实现基于KVM,其上可部署四种Unikernel(Mirage OS,Solo5,Include OS和OSv)。实验结果表明,Uaa F可以显著地减少无服务云计算应用的启动延迟和内存占用。并且,所采用的基于VMFUNC的通信模型确保了不同的Unikernels之间可以高效地调用。

关键词：虚拟化库操作系统云计算无服务操作系统硬件辅助

IEEE1588协议在网络测控系统中的应用

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电讯技术 2011年第11期51卷 84-88页

作者：杨传顺彦廷江江苏自动化研究所江苏连云港222006

在基于网络的测量与控制系统中,对分散节点间的时钟同步有很高的要求。IEEE 1588标准的精确时钟协议为测控系统的时钟同步提供了一种简单可行的途径。分析了精确时钟协议实现的原理和算法,针对测控系统中对时钟同步精度的需求,研究了系... 详细信息

在基于网络的测量与控制系统中,对分散节点间的时钟同步有很高的要求。IEEE 1588标准的精确时钟协议为测控系统的时钟同步提供了一种简单可行的途径。分析了精确时钟协议实现的原理和算法,针对测控系统中对时钟同步精度的需求,研究了系统内选择最优主时钟的算法和实现,以及硬件辅助检测时间戳的方法和应用。最后以以太网为例,对设计的方法进行了精度测试,验证了在测控系统中应用精确时钟同步协议能够满足系统的应用需求。

关键词：测控系统 IEEE1588协议精确时钟协议最优主时钟算法时间戳硬件辅助

基于FPGA的B类LXI矩阵开关的研究与实现

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基于FPGA的B类LXI矩阵开关的研究与实现

作者：于秀波西安电子科技大学

学位级别：硕士

在计算机技术飞速发展的同时，以太网技术也开始应用于更多的领域中。为适应对速度和可靠性方面要求越来越高的分布式自动测试系统，将以太网技术引入仪器领域，LXI设备应运而生。而开关系统作为自动测试系统的枢纽与核心，其性能的提... 详细信息

在计算机技术飞速发展的同时，以太网技术也开始应用于更多的领域中。为适应对速度和可靠性方面要求越来越高的分布式自动测试系统，将以太网技术引入仪器领域，LXI设备应运而生。而开关系统作为自动测试系统的枢纽与核心，其性能的提高是自动测试系统整体性能提高的关键。LXI技术的引入使得开关系统在灵活性、可靠性、自动化程度、速度、控制距离等方面均有较大的提高，而其中的B类设备同步精度更高且无硬件触发距离的限制，因此B类LXI开关设备的研发，将为自动测试系统的发展提供强大助力。本文提出了一种基于S3C6410ARM11处理器、嵌入式Linux操作和可编程逻辑器件FPGA的，硬件辅助实现LXI B类接口功能的4×8路矩阵开关模块的方案。论文开篇介绍了测控总线的发展历程及各种总线的优缺点，阐述了选题背景，然后介绍了LXI B类系统的关键技术，并对系统的总体方案进行了初步论证，根据LXI关键技术的实现方法进行了处理器、可编程器件、操作系统及矩阵开关等的选择。接下来分别对系统的硬件和软件设计进行了详尽的说明，包括硬件核心平台的选取、网络接口的设计、系统硬件构成以及软件平台搭建、LXI B类接口软件包移植、矩阵开关驱动及应用程序开发、硬件辅助的IEEE1588的实现方法等。最后，论文在给定的测试环境下对本系统的性能进行了全面的测试。

关键词：矩阵开关 LXI FPGA 硬件辅助 IEEE1588 linux

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基于虚拟机自省的ROP攻击检测

基于虚拟机自省的ROP攻击检测

作者：葛洪麟电子科技大学

学位级别：硕士

当今计算机软件面临的安全防护挑战主要集中在内存相关的溢出攻击上,为了绕过“数据段不可执行”等经典防御机制,入侵者往往会选择代码复用的方式实现攻击意图。面向返回编程(Return Oriented Programming,ROP)就是一种允许入侵者劫持... 详细信息

当今计算机软件面临的安全防护挑战主要集中在内存相关的溢出攻击上,为了绕过“数据段不可执行”等经典防御机制,入侵者往往会选择代码复用的方式实现攻击意图。面向返回编程(Return Oriented Programming,ROP)就是一种允许入侵者劫持程序控制流并执行任意恶意行为的代码复用技术。ROP攻击旨在通过链接以返回指令结尾的短指令序列构建恶意代码,进而威胁用户空间甚至内核空间中的应用模块。目前针对ROP攻击的检测方法多属单机下的防护,检测系统自身存在一定安全隐患,而虚拟机自省技术允许检测系统在强隔离的虚拟机管理层对客户虚拟机用户进程实现透明监控,极大地提升了检测过程的健壮性。本文通过还原ROP攻击细节,对其核心gadget链特征进行分析,提出了基于硬件辅助的ROP攻击多层检测方法。该方法实时监控虚拟机用户进程的指令执行过程,通过最后分支记录器(Last Branch Record,LBR)中的分支记录对返回分支进行合法性校验,同时通过gadget链长阈值判定来检测ROP攻击是否存在。针对能够绕过链长阈值判定的long gadget,则进一步由硬件性能计数器(Hardware Performance Counter,HPC)中的分支指令数、误测分支指令数匹配,以及gadget指令数阈值判定来对ROP攻击予以识别。在上述算法基础上,以KVM虚拟化框架为背景,实现了基于虚拟机自省的ROP攻击检测原型系统VMIROP。主要结合KVM内核模块功能,捕获客户虚拟机内用户空间的系统调用,并通过维护CR3寄存器查找表还原虚拟机中的进程切换。在识别目标用户进程的前提下,由perf内核模块获取底层硬件信息,最终执行基于硬件辅助的ROP检测逻辑。经过实际攻防实验,原型系统在构造样本上的检出率达到了90%以上,能够有效识别由CVE-2017-9430等内存溢出漏洞引起的ROP攻击。同时,虚拟机处理器平均性能损耗为6.4%。

关键词：面向返回编程虚拟机自省硬件辅助

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一种基于用户级虚拟化的沙盒机制

一种基于用户级虚拟化的沙盒机制

作者：谢劲湖南大学

学位级别：硕士

随着网络的普及,恶意代码的传播也越来越广,这无论对个人还是企业都造成了不可忽略的损失。恶意程序的传统分析和检测方法存在很多不足,作为一个给可疑程序运行提供高度隔离环境的新兴安全技术--沙盒应用而生。虚拟化按照规模可以分为... 详细信息

随着网络的普及,恶意代码的传播也越来越广,这无论对个人还是企业都造成了不可忽略的损失。恶意程序的传统分析和检测方法存在很多不足,作为一个给可疑程序运行提供高度隔离环境的新兴安全技术--沙盒应用而生。虚拟化按照规模可以分为半虚拟化和完全虚拟化。本文的沙盒是基于用户级虚拟化。所谓的用户级虚拟化指的是为应用程序提供直接并且安全的特权操作的平台,即Dune。相比于完全虚拟化提供对操作系统的支持,借助VT-x的Dune模块更加小巧,轻便,它提供对应用程序的支持。相比与半虚拟化需要客户操作系统更改内核,Dune只是一个可加载的模块不需要系统内核做出相应的更改。沙盒按照运行级别可以分为应用层沙盒和内核层沙盒以及混合型沙盒。通过分析目前沙盒技术的研究现状和存在的不足之处,本文提出了一种基于用户级虚拟化技术的沙盒——Dune sandbox。Dune sandbox属于内核层沙盒和目前主流的沙盒相比拥有以下优势:第一,借助用户级虚拟化技术——Dune,使得沙盒拥有精简代码的同时保证了较高的性能;第二,通过采用二级独立的ELF loaders,防止恶意代码对沙盒本身的攻击,提高了沙盒的稳定性;第三,通过hack sysallable,Dune sandbox为用户程序发出的API调用提供了一种高效且深度的监控机制;第四,通过严密的隔离,Dune sandbox当检测到用户程序对系统尝试篡改的时候,将其操作转移到安全区域,实现了系统的安全隔离;第五,通过快速恢复机制,Dune sandbox在判断程序为非恶意程序时,使用文件重定向技术恢复用户程序本身的功能。本文在Linu x平台上实现了Dune sandbox的基本功能。具体实现了文件隔离,进程隔离,程序行为监控和文件重定向。通过实验测试表明Dune sandbox在完成了基本功能的同时有着较高的性能。

关键词：沙盒用户级虚拟化硬件辅助信息安全