有效提高硬件木马激活概率的方法与流程

本发明涉及集成电路可信任性检测技术领域，具体涉及一种有效提高硬件木马激活概率的方法。

背景技术：

随着半导体制造工艺不断提高，集成电路广泛应用在国民生活中，尤其是国家安全、军事、通信、金融、交通等关乎国家命脉的行业，而集成电路的设计，制造，测试和封装也随着经济全球化的趋势逐渐分离，越来越多的第三方公司和人员参与进来，芯片在加工过程中不完全自主可控，攻击者可以在任何阶段对原始电路设计进行篡改形成恶意电路，监视电路的状态，在特定的状态下激活电路，使电路系统暂时性瘫痪，芯片失效，功能紊乱或者信息泄露。芯片作为现代信息系统硬件设备的核心，芯片安全更是信息安全产业链中尤为重要的一环，硬件木马在底层硬件方面严重冲击了现代信息系统，给信息安全造成了极大的威胁，如何保证芯片的安全性和可靠性引起了世界各国的广泛的关注。

近年来随着对硬件木马的研究逐渐深入，在硬件木马的检测技术方面取得了很多成果，主要有物理检测、功能检测、安全性设计、旁路信号分析三种。

物理检测是一种破坏性检测。该方法对芯片进行破坏性检测，不仅耗时，成本较高，而且只能做部分的抽样检查。在大量待测芯片中应用这种方法不能遍历每一个芯片，因此不能保证每一个芯片都是安全的。随着电子工艺的快速发展，物理检测的弊端越来越明显，在当今硬件木马的检测技术中已经很少使用到失效分析来检测芯片中是否存在硬件木马。

功能检测技术是在VLSI(超大规模集成电路)故障检测与差错检查的基础上发展起来的，在输入端口施加测试向量，观察电路的输出信号与预期的输出之间的差异，从而判断硬件是否存在缺陷与木马。该方法需要观察输出信号的变化，不受工艺偏差和测量噪声的影响，能够检测出小尺寸的硬件木马，但是该方法需要激活硬件木马，这对测试向量集的长度要求很严格，寻找合适的测试向量需要耗费较多的时间。

旁路信号分析主要是通过采集芯片在工作时泄漏的旁路信息(如功耗、温度、电磁辐射等)，利用信号处理技术(相关性分析、主成份分析、投影寻踪等)进行空间变换和压缩实现特征提取，对基准芯片和待测芯片的旁路特征进行差异判别，如果差异超出阈值，则待测芯片中存在硬件木马，否则，待测芯片不存在硬件木马。旁路信号分析具有检测成本低、精度高、移植性好等优点，一经提出就展示出较为乐观的应用前景，成为当前硬件木马检测方法的主流。然而在测试过程中由于测量仪器的精度限制和工艺噪声的影响，小面积的硬件木马的物理特征表征的不明显，容易被噪声所淹没。

安全性设计是在电路的设计阶段考虑到由电路结构的引入的安全风险，根据硬件木马的行为特性、触发条件和功能特征，在原始电路中插入特殊模块，提高内部电路的可观察性和可控性，从而实现阻止恶意电路的植入、防护恶意电路德攻击行为、协助电路的安全性检测等。根据不同的防护目的，安全性设计分为抗木马技术、辅助硬件木马检测技术、硬件木马在线防护技术和硬件木马隔离技术四种。

硬件木马不同于软件木马，芯片测试阶段的硬件木马检测不一定可以完全检测出硬件木马，投产使用的芯片对硬件木马没有任何防护措施，不具有抵御木马的能力，导致现代信息系统完全暴露在硬件木马的攻击之下，所造成的损失是无法估计的随着半导体工艺和集成电路的设计技术不断发展，硬件木马设计者为了特定的目的，设计的硬件木马越来越精巧，即面积开销越来越小、激活条件越来越罕见、有效载荷越来越难测。因此设计者需要利用安全性设计，在设计阶段就考虑到硬件系统的工作机制和木马的触发原理，在原始电路中插入特殊电路提高电路的可测性和观察性，实现硬件木马的在线防护，提高集成电路的可利用率。

参考文献

[1]Salmani H,Tehranipoor M,Plusquellic J.A Novel Technique for Improving Hardware Trojan Detection and Reducing Trojan Activation Time[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems,2012,20(1):112-125.

[2]Xue H,Moody T,Li S,et al.Low overhead design for improving hardware trojan detection efficiency[C]//Aerospace and Electronics Conference,NAECON 2014-IEEE National.IEEE,2014.

[3]M.Banga and M.S.Hsiao.Vitamin:Voltage inversion technique to ascertain malicious insertions in ICs.In Proceedings of the IEEE International Workshop on Hardware-Oriented Security and Trust,HST’09,pages 104–107,2009.

[4]Salmani H,Tehranipoor M,Plusquellic J.A layout-aware approach for improving localized switching to detect hardware Trojans in integrated circuits[C]//IEEE International Workshop on Information Forensics&Security.IEEE,2010:1-6.

[5]赵毅强,冯紫竹,史亚峰,等.一种基于缩短激活时间的硬件木马检测方法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2014(6):85-89。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种有效提高硬件木马激活概率的方法，该方法在低活性节点上植入异或门，面积开销较小，它能够将节点的翻转概率提高到最大值，有效的移除电路中的低活性节点，提高电路的激活度，极大的缩短低活性节点的激活时间，在一定程度上减小硬件木马检测过程中硬件木马的激活时间的随机性和不确定性。另外，可以结合旁路信号分析方法或者逻辑测试方法，大大缩短硬件木马的激活时间，可以有效的提高硬件木马检出率。本发明采用的技术方案是，有效提高硬件木马激活概率的方法，步骤如下：

步骤1：随机测试向量的产生与激励电路：根据原始电路建立仿真验证平台，随机产生测试向量，利用Synopsys公司的数字电路仿真软件VCS仿真原始电路设计，得到原始电路的内部节点翻转信息文件；

步骤2：统计电路的各节点的翻转信息，获取各节点的翻转概率：利用shell脚本处理软件对电路的内部节点翻转信息文件进行提取并分析，获取节点的翻转概率信息列表；

步骤3：设置临界概率阈值，确定低活性节点列表：根据设置的临界概率阈值确定节点的低活性节点列表，去除重复的节点、电源和地等不变的节点，得到筛选后的低活性节点列表；

步骤4：确定植入节点位置，执行异或门和计数器的插入操作：编写脚本,分析电路结构,确定在低活性节点的前一级节点作为植入节点，在该节点插入异或门，直到所有的可植入节点都插入完毕；

步骤5：综合电路，结合旁路信号分析方法进行检测：对修改后的电路进行综合分析，并结合旁路信号分析方法，在测试模式下，对采集的旁路信息进行比较分析，实现硬件木马的检测。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明提供一种有效提高硬件木马激活概率的方法，在低活性节点上插入异或门，在面积开销较小的基础上，改变低活性节点的翻转概率，从而移除电路的低活性节点，提高了中电路低活性节点的激活度，在一定程度上降低验证时间。

(2)该方法简单易行，可以借助于旁路信号分析方法，利用在线采集和在线验证系统，这有效的激活了插入在低活性节点上的硬件木马，间接的提高了硬件木马的检出率。

附图说明：

图1一个简单的电路结构。

图2虚拟扫描寄存器结构。

图3在简单电路结构上的低活性节点插入DSFF结构。

图4在简单电路结构上的低活性节点插入异或门。

图5为整体测试框架图。

图6整体方案流程图。

具体实施方式

本发明利用安全性设计的思想，在虚拟扫描触发器的基础上，分析原始电路设计的电路结构和节点活性，根据阈值概率在低活性节点植入特定结构，移除电路中的低活性节点，提高原始设计的电路活性和硬件木马激活率，大大降低了硬件木马激活的随机性和不确定性，有效的缩短硬件木马的激活时间，在一定程度上提高了硬件木马的检出率。

随着半导体深亚微米工艺的发展，芯片集成器件的数目随着摩尔定律指数增长，芯片的规模越来越大，芯片的功能越来越多，内部电路结构的也越来越复杂。集成电路输入输出端众多，内部路径动厮数以百万计，因此内部节点数量巨大。然而电路结构的节点分布并不均衡，有些节点活性较高，跳变比较频繁，而也存在另外一些节点，节点的活性较低，不容易发生翻转。节点的活性Pc，即节点的翻转概率，是由节点逻辑值由“1”变换到“0”概率P_1→0和由“0”变换到“1”的概率P_0→1组成，定义如式1所示，其中P₀，和P₁为某节点分别出现“0”和“1”的概率。而节点的翻转一次需要时钟周期N如下式2所示。

Pc＝P_0→1+P_1→0＝P₀*P₁＝P₁*(1-P₁)＝P₀*(1-P₀) (1)

如果P₀和P₁相等，则节点的翻转率最大，若P₀＜＜P₁或者P₁＜＜P₀，则节点的翻转率很低。

电路的节点个数很多，节点的活性也并不一致，硬件木马设计者为了实现硬件木马的攻击功能，且不被传统的功能测试和旁路测试所检测出来，往往倾向于电路的低活性节点，假设硬件木马选择n个节点作为触发节点，每个节点满足稀有逻辑值的概率分别为P_i,则硬件木马的激活概率P_act如式3所示，触发节点的个数越多，硬件木马的激活概率P_act就越小，硬件木马就越难激活，而硬件木马激活一次平均需要K个时钟周期，如式4所示。通常情况下硬件木马的触发端选择电路的低活性节点作为触发，硬件木马很难触发，而硬件木马的有效载荷部分选择低观测节点，很难观测到由硬件木马引起的恶意活动。

图1为一个简单的电路结构，假设节点的逻辑值均为随机的，出现1和0的概率均为1/2，根据电路中的门级传输特性，输出节点b的翻转概率仅为0.056，P₁＜＜P₀，输出端每翻转一次平均需要17.13个时钟周期,因此可认定输出节点b为低“1”活性节点。

由图1可知，输出节点出现逻辑值“0”的概率远远大于出现逻辑值“1”的概率，该节点在电路工作中很难翻转，如果硬件木马植入在该节点，硬件木马很难激活，从而可以躲避传统的功能测试方法，一旦满足条件，则硬件木马激活，将会产生意想不到的后果，因此需要移除电路的低活性节点，最大程度的增加硬件木马的激活度，从而实现硬件木马的检测。

为提高节点的翻转率，[1]提出在低活性节点上插入虚拟扫描寄存器(Dummy Scan flip-flop,DSFF),如图2所示，当P₀＜＜P₁，在该节点c上植入DSFF-AND结构(虚拟扫描寄存器-与门结构)(如图2(a)所示)，当P₁＜＜P₀，在该节点a上植入DSFF-OR结构(虚拟扫描寄存器-或门结构)(如图2(b)所示)，提高输出节点b的翻转率。在图1的简单电路结构的基础上，根据节点的活性，植入虚拟扫描寄存器结构，如图3所示，输出节点b的翻转概率为0.171，翻转概率相比图1的结构提高了3.05倍，输出节点c每翻转一次平均需要4.83个时钟周期。通过插入DSFF结构前后的翻转率变化的比较，可以明显的看出在低活性节点处植入虚拟扫描寄存器结构可以有效地提高节点的翻转率，有效地提高了节点的活性。

然而电路内部的节点数目很多，电路中的低活性较多，为了提高低活性节点的激活度，则在低活性节点都植入虚拟扫描寄存器结构，单个虚拟扫描寄存器结构的面积开销较小，一般情况下电路的低活性节点数量较大，需要在每个低活性节点上都植入虚拟扫描寄存器结构，由此引入的面积开销较大，功耗影响较大，这会产生较大的背景电流，一定程度降低了硬件木马的与总体电路的电流信噪比，增加了硬件木马的检测难度。

因此本发明提出一种有效提高低活性节点激活度的方法，通过分析虚拟扫描寄存器(DSFF)和木马检测专用模块(MTFD)等结构，综合权衡面积开销和功耗、时序等差异，在低活性节点的前一级节点位置插入异或门，如图4所示，异或门相比DSFF、MTFD结构来说面积开销大大减小,而且简单易操作。利用电路仿真软件，随机施加测试向量，统计电路中的节点列表以及各节点的翻转概率，当节点的翻转概率低于阈值概率，则认定该节点为低活性节点b，剔除重复和不动(电源和地)的节点，分析电路结构，找出低活性节点的前一级节点a和c，在该节点上插入异或门，如图4所示，异或门的一个输入为低活性的前一级节点a和c，输出端接入低活性节点的输入电路节点a1和c1上，异或门的另一个输入与翻转概率为1/2的节点相连，即一位计数器的输出端counter。在此基础上也将节点a1翻转概率由15/32提高到最大值1/2，输出节点c的翻转概率由0.171提高到0.1875，而输出节点c则由平均每翻转一次需要4.83个时钟周期降低到4.33个时钟周期。整体的测试框架图如图5所示，其中counter为一位计数器，T_en为测试端口，当T_en为高电平，进入测试阶段，计数器开始工作，输出端口的逻辑值出现1和0的概率分别为1/2，否则计数器输出一直为低电平，电路处于正常工作状态。因此，在低活性节点的前一级节点植入异或门，不仅简单易行，面积开销小，而且可以进一步的降低节点的翻转周期，大大提高了电路的激活度。

本发明的完整技术路线如下：

图6为本方法的整体方案流程图，该方法主要包括以下几个步骤。

步骤1：随机测试向量的产生与激励电路：根据原始电路建立仿真验证平台，随机产生测试向量，利用电路仿真软件VCS仿真原始电路设计，得到原始电路的内部节点翻转信息文件。

步骤2：统计电路的各节点的翻转信息，获取各节点的翻转概率：利用shell脚本处理软件对电路的内部节点翻转信息文件进行提取并分析，获取各个节点的翻转概率信息。

步骤3：设置临界概率阈值，确定低活性节点列表：根据设置的临界概率阈值确定节点的低活性节点列表，去除重复的节点、电源和地等不变的节点，得到筛选后的低活性节点列表。

步骤4：编写脚本低活性节点的前一级节点执行异或门和计数器的插入操作：编写脚本在低活性节点的前一级节点处插入异或门，直到所有的低活性节点都插入完毕。

步骤5：综合电路，结合旁路信号分析方法进行检测：对修改后的电路进行综合分析，并结合旁路信号分析方法，在测试模式下，对采集的旁路信息进行比较分析，实现硬件木马的检测。