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RFID标签的芯片保护

时间:2019-04-09
1、 破坏性攻击及其防范
  破坏性攻击主要有版图重构和存储器读出技术两种防范措施。
  (1)存储器读出技术
  存放密钥、用户数据等内容的存储器不能通过简单的光学照片获得其中的信息。在安全认证过程中,至少要对这些数据区访问一次,因此,可以使用微探针监听总线上的信号获取重要数据。顶层探测器网格是有效防止微探针获取存储器数据的重要手段之一,充分利用深亚微米CMOS技术提供的多层金属,在重要的信号线顶层构成探测器网格能够连续监测短路和断路。当有电时,它能防止激光切割或选择性的蚀刻去获取总线的内容。根据探测器输出,芯片可立即触发电路将非易失性存储器中的内容全部清零。这些网格对于其下的各层金属连线重构也有影响,因为蚀刻不是均匀的,上层金属的模式在下层可见,会给版图的自动重构带来很多麻烦。手动探针的目标尺寸一般在1微米左右,尖端小于0.1微米的探针台价格在几十万美元之上,且极难获得。一个精心设计的网格将使手动微探针攻击难以实施,一般的FIB修补技术也难以逾越。
  (2)版图重构
  破坏性攻击的一个重要步骤是重构RFID芯片的版图。通过研究连接模式和跟踪金属连线穿越可见模块的边界,达到迅速识别芯片上的一些基本结构,如数据线和地址线。
  对于RFID标签芯片的设计来说,射频模拟前端需要采用全定制方式实现,但是常采用HDL语言描述来实现包括认证算法在内的复杂控制逻辑,显然这种采用标准单元库综合的实现方法会加速设计过程,但是也给反向工程为基础的破坏性攻击提供了极大的便利,这种以标准单元库为基础的设计可以使用计算机自动实现版图重构。因此,采用全定制的方法实现RFID的芯片版图会在一定程度上加大版图重构的难度。版图重构的技术也可用于获得只读型ROM的内容。ROM的位模式存储在扩散层,用氢氟酸(HF)去除芯片各覆盖层后,根据扩散层的边缘就很容易辨认出ROM的内容。
  基于微处理器的RFID设计中,ROM中可能不包含任何加密的密钥信息,但是它的确包含足够的I/O、存取控制、加密程序等信息,这些在非破坏性攻击中尤为重要。因此,对于使用微处理器的RFID设计,推荐优先使用FLASH或EEPROM等非易失性存储器存放程序。
 2、 非破坏性攻击及防范策略
  非破坏性攻击主要针对具有微处理器的产品而言。微处理器本质上是成百上千个触发器、寄存器、锁存器和SRAM单元的集合,这些器件定义了处理器的当前状态,结合组合逻辑则可知道下一时钟的状态。常见的非破坏性攻击主要有电流分析攻击和故障攻击。
  (1)电流分析攻击及防范措施
  根据电流分析攻击实施的特点,可将其分为简单电源攻击(SPA)和差分电源攻击。原则上,RFID的电源集成在AFE的内部,似乎远离了电流分析的危险,然而实际上并非如此。通过在RFID天线和串联的分压电阻的两端直接加载符合规格的交流信号,RFID负载反馈信号可以百倍于无线模式下的信号强度直接叠加在加载的交流信号上。由于芯片的功耗变化与负载调制在本质上是相同的,因此,如果AFE的电源设计不恰当,则RFID微处理器执行不同内部处理的状态可能在串联电阻的两端交流信号上反馈出来。
  针对于电流分析攻击的特点,芯片的功耗是个重要的问题,就工作效率而言,串联方案的效率更高,更适合集成电路设计。但是就安全而言,并联方案是更理想的选择,因为通过并联泄放电路将电源幅度和纹波的变化控制在尽可能小的范围内,使电源电流消耗波动抑制在整流电路之后。这样天线两端的交流信号不能反应任何内部基带系统(主要是微处理器)状态的差异。
  (2)故障攻击及防范措施
  通过故障攻击可以导致一个或多个触发器位于病态,从而破坏传输到寄存器和存储器中的数据。在所知的RFID标签芯片非破坏性攻击中,故障攻击是实际应用中最有效的攻击技术之一。
  时钟故障和电源故障都是故障攻击的主要手段。通过简单地增加或降低时钟频率一个或多个半周期可以实施时钟故障攻击,这样会使部分触发器会在合法的新状态到来之前就采样它们的输入。时钟故障有效的攻击通常和电源故障结合在一起,在接触式RFID标签中通过组合时钟和电源波动,增加程序计数器内容而不影响处理器的其它状态。这样,RFID标签的任意指令序列都可以被黑客执行,而程序员在软件编写中并没有什么很好的应对措施。
  RFID标签为了有效抵御时钟故障攻击,除了采用时钟探测器外,更重要的是严格限制RFID设计的工作频率范围、载频的谐波品质因素、对称性的指标。潜在的故障技术仍需进一步探索,如通过将金属探针置于处理器几百个微米的高度,在几毫秒内施加击败伏特的电压,得到的电场强度足够改变附近的晶体管阈值电压。这些技术的应用价值和应对措施还有待进一步的研究。

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