近年來，現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)由于其高性能、低價格、高開發速度、方便的編程方式等特點得到了廣泛的應用。但對FPGA進行DPA(Differential Power Analysis，差分功耗分析)攻擊已經成為FPGA應用中信息安全的主要威脅之一，受到了廣泛的關注。

DPA是SCA(Side Channel Attacks，旁路攻擊)技術的一種，其攻擊思想為：以電路的功耗特性為基礎，利用功耗與內部密鑰的關系，將大量采樣到的包含該內部密鑰運算的功耗波形 數據根據所猜測的密鑰進行劃分，使得所劃分的兩部分具有不同的功耗特性。最后，對兩部分的功耗數據相減得到功耗差分曲線，如果猜測正確，差分曲線將出現明 顯的尖峰。

因此，進行DPA攻擊的根本原因是電路邏輯表示的不對稱性引起的。本文將應用FPGA的自身結構特點，結合目前常用的抗DPA攻擊的電路級防護技術，深入研究與分析在FPGA平臺上實現針對DPA攻擊的電路級防護技術。

1 FPGA上的電路防護技術

1．1 FPGA的底層結構

FPGA的簡化結構如圖1所示。FPGA內部最主要的、設計工程中最需關注的部件是CLB(Configurable Logic Block，可配置邏輯塊)，IOB(Input／Output Block，輸入／輸出塊)，Block RAM(塊RAM)、DCM(Digital Clock Manager，數字時鐘管理器)和Multiplier(乘法器)。其中CLB是FPGA具有可編程能力的主要承擔者，Virtex-5的一個 slice的主要組成單元包括4個6輸入查找表、4個觸發器和若干個選擇器。

1．2 雙軌電路技術的實現

雙軌電路技術是指無論是輸入還是輸出都是用兩根線來表示的。由圖2可見，在SDDL與門中，信號A就由A和共同表示，而輸出Z也由Z和表 示。在這種表示下，一個變量可以有4種不同的邏輯值(0，0)，(0，1)，(1，0)以及(1，1)。SDDL將(0，1)和(1，0)分別用來表示邏 輯0和邏輯1。這樣電路內部的邏輯0和邏輯1就變成了對稱的，從而使得各自的功耗相同。另外，邏輯門還引入了一個prch預充電信號。在prch有效的情 況下，輸出是(O，0)，這個值也就是變量為預充電時在電路中的表示方式。電路的工作分為兩個狀態：運算狀態和預充電狀態。這兩個狀態交替更換，也就是在 prch上加載一個固定周期的脈沖。如此一來，電路中變量值的變化就是(0，O)到(O，1)或(1，O)，或者是(0，1)或(1，0)到(O，0)， 每次翻轉都是只有一根信號線進行翻轉。邏輯O和邏輯1達到了完全的平衡。

1．3 預充電技術的實現

普通邏輯門不能提供持續轉換活動，邏輯門的輸入不變將導致門的數據獨立。解決這個問題要通過增加預充電電路來提供變換。當時鐘為高時，連接預充電電 路輸入一個預充電相位，連接點變化到邏輯O；當時鐘為低時，電路輸入計算相位，實際計算完成。在FPGA上采用預充電邏輯的目的是要求在預充電相位期間 slice的輸出必須是邏輯O，有兩種方式來完成。在一個Xilinx的slice中，每個LUT后跟著專門的多路選擇器和內存單元，可配置為寄存器或鎖 存器。這里考慮使用多路復用器和內存單元來實現預充電，每種方法各有優點和缺點：

(1)使用時鐘控制的多路復用器來實現預充電功能。將每個片子中單獨的內存單元作為寄存器，但是除了寄存器的普通時鐘還要分配一個反向時鐘。這種方法的缺點是復制一個時鐘信號并生成直接和互補信號將明顯增加功耗和電路面積，布線也將復雜化。

(2)使用內存單元作為帶有反向使能輸入的異步清零鎖存器來實現預充電功能。只需要一個單獨信號給寄存器和預充電鎖存器，預充電功能由連接反向使能輸入和鎖存器的清零輸入實現，使用這種方法的缺點是專門設計的寄存器存儲器需要一個單獨的slice。

2 DES加密模塊的實現

要在FPGA上實現安全防護結構來確保關鍵部件的功耗恒定。這里選擇從雙軌和預充電技術在FPGA上實現旁路安全防護邏輯。當前的技術水平需要在FPGA上進行精確控制布局和布線。下面從S盒硬件宏的實現和DES加密核的實現來介紹基于FPGA的DES加密模塊實現。

2．1 S盒硬件宏的實現

S盒的設計是DES算法關鍵部分，S盒設計的優劣將影響整個算法性能。在采用FPGA實現時，應從資源和速度的角度出發，有效利用FPGA可配置屬 性，充分考慮器件內部結構，盡可能使兩者都達到最優。在設計中，由于綜合工具的介入，所輸出的網表很難被設計者所理解，同時要找到一種更好的方法來控制組 合電路，因此要建立硬件宏模塊，簡稱硬宏。這與傳統的設計流程不同之處是要充分利用：FPG Editor的功能，目的是從FPGA底層結構的配置上實現雙軌和預充電技術。