安全控制器中的密碼算法實(shí)現(xiàn)模塊同樣能有效抵御各種故障注入攻擊(FIA)，目前主要的防護(hù)手段包括檢錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)。

先以 ECC 算法為例，針對(duì) ECC 的故障注入攻擊可以分為三類：安全故障攻擊、弱曲線攻擊和差分故障分析 (Differential Fault Analysis, DFA)。安全故障攻擊基于那些不改變輸出結(jié)果的故障進(jìn)行分析。弱曲線攻擊試圖將點(diǎn)乘運(yùn)算從強(qiáng)橢圓曲線遷移到弱橢圓曲線上，以利于通過求解橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題獲得作為點(diǎn)乘倍數(shù)的私鑰或隨機(jī)數(shù)。

DEA 通過分析正確輸出和錯(cuò)誤輸出之間的差異，逐位地導(dǎo)出點(diǎn)乘的倍數(shù)。這些攻擊的相應(yīng)防御方法包括采用檢錯(cuò)技術(shù)檢測(cè)橢圓曲線參數(shù)是否正確、點(diǎn)乘基點(diǎn)是否在橢圓曲線上、點(diǎn)乘運(yùn)算中的數(shù)據(jù)是否被插入故障，一旦故障被檢測(cè)到，即中止執(zhí)行點(diǎn)乘運(yùn)算，并拒絕輸出任何結(jié)果;采用容錯(cuò)技術(shù)，選擇一條橢圓曲線使得即使將故障引入到點(diǎn)乘運(yùn)算中，攻擊者也不能從錯(cuò)誤結(jié)果中導(dǎo)出點(diǎn)乘的倍數(shù)，譬如強(qiáng)扭曲線 (Twist-Strong Curves)在扭曲線攻擊 （Twist- Curve Attack）下是容錯(cuò)的。

另外 ECC 的一些側(cè)信道攻擊防御方法也具有防御某些故障注入攻擊的能力，如 Montgomery 階梯、隨機(jī)化點(diǎn)乘倍數(shù)都使得安全故障攻擊更難以實(shí)施；點(diǎn)乘的基點(diǎn)育化方法可以防御弱曲線攻擊。

對(duì)于 RSA 算法而言，根據(jù)錯(cuò)誤的簽名結(jié)果和正確的簽名結(jié)果可以分析出簽名所使用的私鑰，故需要在私鑰運(yùn)算過程中進(jìn)行故障檢測(cè)或?qū)灻Y(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，一旦發(fā)現(xiàn)故障或簽名結(jié)果錯(cuò)誤則拒絕輸出簽名結(jié)果。

對(duì)于達(dá)到 IND- CCA2 安全級(jí)別的公鑰加密算法，其算法機(jī)制本身內(nèi)置了錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)，天然具備一定的故障注入攻擊防御能力。

在對(duì)稱密碼算法中，密鑰運(yùn)算主要是添加輪密鑰和S 盒，因此這也成為故障注入攻擊者選擇的主要攻擊點(diǎn)。故障注入攻擊可以分為暫時(shí)性故障注入攻擊和永久性故障注入攻擊。在暫時(shí)性故障注入攻擊中，攻擊者可以利用不規(guī)則時(shí)鐘脈沖、輻射、瞬間高電壓等技術(shù)改變緩存器或存儲(chǔ)器內(nèi)的某位。

而在永久性故障注入攻擊中，攻擊者可以利用紫外線等清除 EEPROM 內(nèi)的某位，或使用微探針設(shè)定或清除 EEPROM內(nèi)的某位。比特故障是指在加密的中間結(jié)果中僅引入1位的故障，而保證其他位不變，是一種有效的故障注入攻擊。這種方法應(yīng)用于對(duì)稱密碼算法，如果攻擊者反復(fù)地向即將進(jìn)入最后一輪加密的中間加密結(jié)果中引入比特故障，即每次加密引入的故障使得中間結(jié)果的某位改變，而保證其他位不變，則有可能得到最后一輪的輪密鑰。

DFA 是一種有效的密碼分析技術(shù)，它的基木思想是在選擇明文后，對(duì)加密過程進(jìn)行故障誘導(dǎo)，分別獲得該明文對(duì)應(yīng)的正確密文和錯(cuò)誤密文，然后對(duì)兩種密文進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，從而獲得密鑰。

對(duì)稱密碼算法實(shí)現(xiàn)中防御故障注入攻擊的主要原則是采用錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)。錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)到對(duì)稱密碼運(yùn)算中插入的故障，一旦故障被檢測(cè)到，即中止執(zhí)行密碼運(yùn)算，并拒絕輸出任何結(jié)果。適用于對(duì)稱密碼算法的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)包括基于冗余的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)、基于錯(cuò)誤檢測(cè)碼的技術(shù)，以及兩者混合使用的技術(shù)。

基于冗余的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)分為硬件冗余和時(shí)間冗余兩類。

基于硬件冗余的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)直接復(fù)制密碼算法硬件作為自檢方法，將復(fù)制電路的輸出與原始電路的結(jié)果相比較，如果不匹配則說明有錯(cuò)誤。

基于時(shí)間冗余的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)對(duì)同樣的數(shù)據(jù)做第二次加密/解密運(yùn)算，與第一次加密/解密的運(yùn)算結(jié)果比較，該方法增加 100%的額外時(shí)間開銷，僅對(duì)單次故障注入有防御能力。

可以將硬件冗余和時(shí)間冗余技術(shù)相結(jié)合，從而在硬件和時(shí)間開銷中尋找平衡，設(shè)計(jì)適合對(duì)稱密碼算法在安全控制器中安全實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤檢測(cè)方案。

最簡單的錯(cuò)誤檢測(cè)碼是奇偶校驗(yàn)碼，奇偶校驗(yàn)碼可以根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)到多個(gè)校驗(yàn)位，但奇偶校驗(yàn)碼的錯(cuò)誤檢測(cè)覆蓋率不夠高，在對(duì)稱密碼算法實(shí)現(xiàn)中使用奇偶校驗(yàn)碼時(shí)，應(yīng)分析其錯(cuò)誤檢測(cè)覆蓋率是否足夠應(yīng)對(duì)安全控制器可能面臨的故障注入攻擊情形。

為提高錯(cuò)誤檢測(cè)覆蓋率，人們提出了分組密碼算法的并發(fā)錯(cuò)誤檢測(cè)(Concurrent Error Detection, CED)方法，CED 檢測(cè)安全控制器的對(duì)稱密碼運(yùn)算過程中的操作以保證輸出的正確性。如果CED檢測(cè)到錯(cuò)誤計(jì)算的發(fā)生，安全控制器將在輸出前丟棄錯(cuò)誤的結(jié)果，因此芯片能夠抵御FIA的威脅。CED 的錯(cuò)誤檢測(cè)覆蓋率通常遠(yuǎn)高于奇偶校驗(yàn)碼，但也依賴于所采用的編碼機(jī)制以及硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

審核編輯：劉清