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

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2021-07-31
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标签： RISC-V ECU 汽车电子

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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