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Embedded Systems Security: On EM Fault Injection on RISC-V and BR/TBR PUF Design on FPGA

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  • 日期: 2021-07-31
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标签: RISC-V

RISC-V

随着嵌入式计算机在现代生活中使用的增加和物联网  (IoT)  的快速增长,嵌入式系统安全已成为一个真正的问题。特别是对于传输敏感数据的安全关键系统或设备,安全性成为一个关键问题。嵌入式计算机比其他计算机更容易受到针对芯片本身的硬件攻击,以提取加密密钥、破坏其安全性或伪造它们。在本论文中,嵌入式安全从两个不同的领域进行研究。第一个是通过调查  RISC-V  处理器上的电磁故障注入  (EMFI)  来研究硬件攻击。其次是通过研究双稳态环物理不可克隆函数(BR-PUF)及其变体TBR-PUF在FPGA上的实现,研究了防伪和密钥提取的对策。在  320  MHz  五级流水线  RISC-V  内核上的实验表明,随着频率的增加和供电电压的降低,处理器变得更容易受到  EMFI  的影响。  EMFI  对不同类型指令(包括算术和逻辑运算、内存操作和流控制操作)的影响分析显示了不同类型的故障,包括指令跳过、指令损坏、错误分支和具有不同概率的异常故障。更有趣的是,第一次有经验表明,多条连续指令(最多  6  条指令)同时出现故障,这可能是非常具有破坏性的,损害了诸如指令复制或三重复制等软件对策的效果。本研究还研究了  BR  和  TBR  PUF  在  Spartan-6  FPGA  上的硬件实现。对  FPGA  上的自动和手动布局实现方法进行了比较研究。通过使用稳定时间作为自动放置的随机源,这种方法显示出通过多次试验生成具有良好特性的  PUF  的潜力。自动放置方法成功地生成了具有近乎理想特性的  4  输入  XOR  BR  和  TBR  PUF。此外,在  BR  和  TBR  PUF  上执行了架构和布局级别的优化,以减少它们在  FPGA  上的占用空间。本研究旨在加深对  EMFI  对处理器影响的理解,以便为未来的安全处理器设计对策。此外,这项研究有助于加深对如何最好地设计改进的  BR  和  TBR  PUF  以用于未来安全设备中的密钥保护的理解。

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