侧信道分析教学科研实验套件

  侧信道分析理论与技术是密码工程学的重要知识点与科研方向,未来具有广阔的应用前景,目前高校、研究所、以及相关企事业单位对该研究领域广泛关注。侧信道分析教学科研实验套件由北京数缘科技有限公司自主研发于2016年。套件分别选用PicoScope高性能数字示波器、8051单片机作为采集和被采集设备,可实现计时分析、能量分析、电磁分析等多种侧信道分析实验,在教学演示、科学研究、芯片安全性测评等领域有广泛应用。该套件的主要部件有:
  > PicoScope 3403D示波器1台
  > 简单能量分析器1台
  > 高级能量分析器1台
  > 电磁探头1个
  > 探头线4根
  > 低通滤波器1个
  > 示例采集程序、分析程序源码各1套
  > 配套教学资料1套
  > 其它配件若干

图1 侧信道分析教学科研实验套件实物照片

  侧信道分析教学科研实验套件装备齐全、操作简单、使用便携、内容丰富,其主要特点可归纳为下列几点:
  > 设备一站购买:套件集成了示波器、待测设备、能量采集模块、电磁探头、低通滤波器、采波控制软件、侧信道分析软件、USB集线器等侧信道分析常用装备。其中示波器为英国PicoScope公司原装进口,4通道、采样率高达1GSa/s,能够满足绝大多数情况下的侧信道分析需求。套件还提供了教学示例幻灯片,为用户提供授课或学习素材。
  > 实验一键完成:本套件上手十分容易,在按照说明书安装好设备和开发软件后,用户不需要再参考任何资料,即可打开采波控制软件,一键开始能量波形采集实验;随后可启动侧信道分析软件,其功能按键同样全部集成到了左侧,用户只需按顺序点一遍功能按钮,即可完成全部分析实验。在亲手做完实验后,用户可以结合实验现象和结果,再入手学习侧信道分析,其效果必然事半功倍。
  > 出行一提带走:套件的全部设备和配件均集成到一个手提箱中,总重量约3kg,极大方便了用户携带套件外出授课或交流。手提箱为丹麦原装进口实验箱,结实、轻便。
  > 源码完全开放:配套程序的源代码面向授权用户开源,用户可以直接从带有注释的源代码中直接掌握用侧信道分析模型来恢复密钥的原理,并可直接修改代码以验证自己的新方法。采波控制软件的源码包含选择明文、发送明文、波形采集等功能,而侧信道分析软件的源码则能够直接将密钥恢复,并与其它分析方法的效率进行对比。
  > 终生咨询服务:套件研发的技术人员为国内从事侧信道分析领域的一线研究人员。用户遇到问题时,可通过QQ群与套件研发技术人员直接进行交流,避免了国外设备的用户在寻求咨询服务过程中的语言障碍和地域障碍。

图2 轻松便携的实验套件工具箱照片

  侧信道分析软件提供了强大的分析功能,包括计时分析、简单能量分析、相关能量分析、差分能量分析、模板攻击、二阶相关能量分析、电磁分析等经典方法。以相关能量分析为例,分析软件可进行原始波形显示、直接相关能量分析、中间值泄露分析、快速(均值)相关能量分析、相关能量攻击效率分析、差分能量攻击效率分析等操作,并将分析结果以极快的速度在屏幕上显示,如图3所示。此外,本平台的另一大特点是,所有能量信道中的波形采集和分析过程均可在电磁信道中进行,只需要用电磁探头对能量探头进行无缝替换即可完成,图4展示了针对DES算法的简单电磁分析的实验结果,密钥同样可以被轻松恢复。

图3 功能强大的能量分析界面


图4 简单电磁分析界面及其密钥恢复结果

  在教学或科研过程中,选用侧信道分析教学科研实验套件进行教学演示或科研实验,可完美解决用户的下列技术壁垒:
  > 缺乏采集设备:在信号与系统方面没有积累的情况下,示波器和探头较难选型,难以搭建实验平台
  > 缺乏被分析设备:在模拟电路方面没有积累的情况下,没有待测设备供示波器采集侧信息,且缺乏采集侧信息的方法
  > 编程语言障碍:在数字电路方面没有积累的情况下,Verilog、VHDL等非主流语言上手较难
  > 缺乏实验评估:在各种侧信道分析方法没有积累的情况下,对自主科研成果无法用实验衡量其效率或横向对比

图5 侧信道分析教学科研的技术壁垒

  侧信道分析教学科研实验套件的核心部件为英国原装进口的PicoScope 3403D示波器和配备8051单片机的简单能量分析器、高级能量分析器,其主要指标如下:
  > 示波器采样率:1GSa/s
  > 示波器带宽:50MHz
  > 示波器通道数:4
  > 示波器存储深度:64MS
  > 单片机型号:宏晶科技STC89C52RC、ATMEL AT89S52
  > 单片机晶振:12MHz
  > 单片机RAM/ROM:512Byte/8KByte