fpga系列產品的漏洞機理分析

各位親愛的FPGAer老鐵，又到了令人愉悅的周五了，作為回歸后的第一篇文章，小弟我徹夜難眠，一直在想寫什么精彩的內容才能對得起自己吹的牛皮。真的是翻來覆去，思緒萬千，翻開有道、印象、github、PornHxx，最終決定還是給大家講一個大家都很關心的事情——《如何守住自己的秘密》。

很多小伙伴就會問了，是什么秘密呀，《不能說的秘密》還是《維多利亞的秘密》，快點快點，小馬扎已經備好了，我要吃瓜！！！

我相信作為在座的每一位FPGAer都是一名優(yōu)秀的時間管理大師，畢竟時序約束那點破事（點贊轉發(fā)過2000，馬上安排），咱不是天天在玩嘛。我覺得既然咱們花了那么多時間管理的設計，如何能保證它的秘密更應該值得深入研究。

咱們華夏子弟個頂個的聰明，個頂個的比別人努力，如今這么卷的行業(yè)賽道里，如何保證自己辛辛苦苦堆出來的優(yōu)秀設計不被別人剽竊，當然了，更不能讓別人反向出咱自己寫的垃圾代碼，不然多丟面呀，以后還混不混了。

今天我就給大家介紹一下和一位FPGA行業(yè)大牛討論關于加密的內容，整理出來分享給大家，希望大家都能打起100萬的精神，守衛(wèi)自己的秘密花園。
?

設計加密簡介

很多小伙伴對于加密的概念都不陌生，小到我們日常使用的銀行卡加密，手機機密（密碼、生物特征加密）、門鎖加密，大到國家機密等，無一不是加密技術保護著我們個人的生命和財產安全。

今天我們主要介紹一下關于FPGA加密技術的介紹：

把自己的設計封裝成ip，提供license的方式保護自己的設計；

把自己的設計封裝成網表，保護自己的源代碼設計；

把自己的設計代碼故意改的亂七八糟，增加閱讀難度和可行性（惡心自己也惡心別人），主打一個刺激。

為了保護自己辛辛苦苦，熬夜掉頭發(fā)搞出來的設計，能使用的手段必須統(tǒng)統(tǒng)使出來。但是，你以為這樣就安全了嗎？

當初小弟我也以為自己的設計經過上述的操作，基本萬無一失，誰來都無法剽竊我的設計，除非給的足夠多！自從和大牛聊完以后，發(fā)現自己的設計在FPGA芯片設計大牛眼里，我在裸奔！

大牛給我說，其實對于前面說到的任何一種加密內容，最后都會落盤到bit位流中，對于他們FPGA芯片設計人員，有這份位流已經足夠破解我的設計。

所以，為了防止FPGA泄密，保護最終的bit位流才是關鍵所在。

大牛給我分享了一個鏈接，我這才知道，原來國際知名大廠AMD-XILINX的7系列以及之前的FPGA系列產品，在bit位流安全性存在嚴重的缺陷和漏洞，今天我就帶著大家深度扒一扒。

1 存在StarBleed硬件漏洞

2020年4月，來自德國的研究者在論文“The Unpatchable Silicon A Full Break of the Bitstream Encryption of Xilinx 7-Series FPGAs”中披露了一個名為“StarBleed”的漏洞，它存在于賽靈思的Virtex、Kintex、Artix、Spartan等全部7系列FPGA中。通過這個漏洞，攻擊者可以同時攻破FPGA配置文件的加密和鑒權，由此可以獲得用戶的FPGA設計同時可隨意修改FPGA中實現的邏輯功能。嚴重的是，這個漏洞并不能通過軟件補丁的方式修復。漏洞的發(fā)現者已于2019年9月將這個漏洞知會了賽靈思，并在第二天就獲得了賽靈思的承認。該漏洞攻擊的成本非常低，無需特別深奧難懂的專業(yè)知識，一般的硬件工程師就能按照論文完成破解。AMD-XILINX主流產品XC7K325T僅三小時即能完成的全位流破解。

2 不抗DPA攻擊

AMD-XILINX FPGA對加密位流的解密方案采用了CBC-AES，在實現中并沒有加入側信道的防護措施，因此理論上就存在被側信道攻擊的風險。早在2011年，Moradi（StarBleed漏洞的第二發(fā)現者）等就在賽靈思 Virtex-II上使用側信道攻擊獲得了位流的加密密鑰。接下來，他又使用功耗側信道攻擊了賽靈思 Virtex-4、Virtex-5以及Altera Stratix II的加密位流，并獲得了加密密鑰。2016年，他又使用電磁側信道攻擊方法，成功攻擊了Virtex-5、Spartan-6、Kintex-7和Arix-7 由于大牛是國內某FPGA大廠研發(fā)中心的核心設計人員，在小弟我三番五次，不要臉的請求下，給我展示了國內某安全實驗室團隊完成的XILINX XC7K325T的DPA側信道攻擊。該攻擊方法為采用Langer 的電磁探頭采集EM信號，采集EM信號需要對FPGA進行開蓋，去除表面金屬封裝，發(fā)現在FPGA芯片邊緣的電容上可以找到較好信噪比的波形，下圖是實際的采集位置和使用的U5-2的EM Probe。

測試平臺架構

FPGA芯片開蓋（V4）

信號采集位置（K7）

上文給兄弟們介紹了AMD-XILINX的7系列以及之前的FPGA系列產品的漏洞機理，接下來給大家展示一波，DPA攻擊方法：

1）信號處理使用U5-2 型號的EM探頭采集8萬條K7解密的曲線，采樣率1G，采樣數據FFT分析后進行濾波處理。取2000條曲線進行平均，曲線如下：

在曲線下半部可以看到AES執(zhí)行的26個尖峰毛刺，非常明顯。 2）已知密鑰分析通過已知密鑰分析，來定量密鑰與泄露的關系 3）選擇密鑰攻擊 4）攻擊結論：本次實驗，使用EM Probe采集Xilinx Virtex-4和Kintex-7系列的FPGA解密比特流過程的曲線（V4：需要1.25*8=10萬條左右；需要K7：15*8=120萬條左右），經過信號處理后可以在黑盒測試條件下通過選擇密文的方式，對解密過程進行CPA分析，從而恢復解密密鑰。

3 密鑰存儲方式不安全

AMD-XILINX FPGA密鑰存儲支持兩種模式： 1）BBRAM電池供電存儲已有公開文獻發(fā)表，可通過激光注入讀取BBRAM中保存的明文密鑰，且BBRAM需要電池供電，應用可靠性大大降低。 ?