個人學習筆記，側信道攻擊，從喊666到入門之——波形採集

時間 2019-12-13

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在N久以前的上篇文章中，咱們討論瞭如何對已經採集好的能量軌跡進行側信道攻擊，可是，有個問題我挖了一個坑，就是如何對芯片的能量軌跡進行採集。今天我會討論這個問題。前端

本文會先介紹採集設備和相應的示波器使用和通訊上的一些知識，以後介紹三種進行能量軌跡採集的方法和注意事項，並對比他們的優缺點，最後說一下我在採集中的噪音控制問題。算法

設備信息

採集設備

目前，我可使用的有三臺示波器，一臺USRP和一個Chipwhisperer，三臺示波器的性能分別是：編程

品牌型號	模擬帶寬	最大采樣率	價格
夢源實驗室 dscope20	50Mhz	200M	499
RIGOL DS1074	70Mhz	1G	2800
漢泰 DSO3254	250Mhz	1G	2400

其中，dscope和漢泰dso3254是虛擬示波器，沒有屏幕，須要使用usb或者網線鏈接電腦，使用電腦屏幕顯示，而RIGOL DS1074是傳統的示波器。USRP 型號是B210，因爲超外差接收機結構，USRP有很大的頻率覆蓋範圍。安全

解釋一下模擬帶寬和採樣率的問題。電路板和接口，因爲物理緣由，不可能容納全部頻率的信號，頻率越高，在電路板上的衰減和失真程度越大。這樣的話，示波器的模擬前端就等效爲一個低通濾波器，當正弦波輸入信號幅度衰減到 -3dB 時的頻率就是標註的模擬帶寬。模擬帶寬直接決定了一個示波器能夠測量的最大保真頻率，固然是越大越好。ide

最大采樣率是指信號通過模擬帶寬以後，進入了模數轉換的階段，這時候，模數轉換系統會以採樣率爲頻率對波形進行採樣，由連續的波形編程離散的點，只有這樣，才能進行後續的數字信號處理。對於正弦波，採樣頻率要不小於2倍正選波頻率才能不失真的恢復出波形。函數

舉一個極端的例子，我要測量一個波形，這個波形中，有意義的頻率份量最大是10Mhz，那麼個人示波器模擬帶寬不能低於10Mhz，採樣率不能低於20M，只有知足這兩點，纔有可能完整保留有意義的信息。post

濾波器

上文中咱們說「有可能完整保留」，是由於咱們缺乏了一個重要的部件，濾波器。咱們的示波器的採樣率是1G，也就是說最大隻能恢復出500Mhz的正弦波。那麼大於500Mhz的部分就會因爲不完整的採樣變成一些低頻成分對信號產生干擾。雖然有模擬帶寬等效濾波器進行了限制，可是若是採樣時間超過了儲存深度，示波器會進行採樣率的主動降低。對於本文中的設備，50Mhz的低通濾波器就足能夠了。性能

通常來講，示波器也有帶寬限制的功能，RIGOL DS1074 和漢泰 DSO3254都有20Mhz的帶寬限制，打開以後的效果能夠等效爲增長了低通濾波器。測試

探頭與匹配阻抗

另一個部件就是探頭了，探頭的做用就是把數據引入示波器。探頭也是有模擬帶寬的，物理緣由和示波器的模擬帶寬同樣。選擇的時候帶寬不要低於示波器。探頭上有一個開關，兩個擋位，X1和X10，X10擋位的帶寬通常大於X1擋位，可是因爲衰減，信號強度也會少不少，能夠經過加放大器進行改良。3d

匹配阻抗是傳輸線理論中很重要的概念，通常狀況下，通訊設備的匹配阻抗都是50歐姆（廣電傳媒通訊中是75歐姆），而示波器的阻抗都是1M，部分高端示波器也有50歐姆的輸出。若是使用了放大器，那麼就要進行阻抗的匹配，可使用阻抗轉換器進行阻抗的匹配。接收時候，若是阻抗不匹配，會影響信號採集的質量。

實驗設備

硬件配置

本實驗中，我使用了一個STC15的C51單片機運行AES128，芯片的封裝圖以下：

因爲其內置了起振電路和復位電路，因此電路板上只有芯片排針和採樣電阻，如圖：

採集方法

GND漏電流

這種方法須要在芯片的GND引腳和真實0電位點中間串聯一個小電阻（本實驗中爲10歐姆），以後測量這個電阻上的電壓波動。本實驗中如圖所示：

獲取的信號如圖所示：

這種方法獲取到的信號是特別乾淨的，咱們能夠清晰的看見AES執行的九輪半結構（AES最後一輪沒有MixColumns）。

這種方法的缺點也是很大的，在實際的產品中，去除GND引腳的焊接，接入小電阻是十分困難的事情。這種方法通常用在能夠直接供電的設備中，例如演示板或者各類接觸式卡片。

芯片電壓

這種方法直接測量芯片的電壓波動，探頭鏈接在芯片的VCC和GND引腳：

這種方法能夠直接焊接上去，不須要進行拆焊這種高難度動做。相應的採集到的信號信噪比也會低一些，可是仍是能夠清晰的看出來AES128的輪結構：

這種方法在信噪比和鏈接難度上都還能夠，是比較好的一種方法。可是，對於多核SOC或者使用AES協處理器進行運算的狀況，信噪比就會大大下降。

電磁波

一個SOC中，每一個核心或者協處理器是不可能作在一個位置上的，必定有物理上的距離，這樣就可使用性能優良的電磁探頭進行採集。能夠完成這種精度電磁採集的探頭價格都在幾萬到幾十萬，同時須要微動臺進行細微距離的移動（人手的精度就不用想了），因爲窮，這種採集方法對我來講也就是，想想。

其餘注意事項

最重要的體會就是，搞硬件安全真**費錢。

噪音控制

在上一步的採集中，咱們使用了在芯片VCC和GND引腳上的電壓波動。若是仔細觀察一下，就能夠發現實際上測量的除了芯片上的電壓，還有電源的噪音，這種狀況下，電源的波紋會完整的混入採集信號中，因此要採用更好的供電設備，通過個人測試，斷開充電器的筆記本電腦USB供電和穩壓電源供電效果是比較好的，手機充電器USB供電和充電寶效果不好，要說電源波紋最好的，應該是iPower的電源適配器，標稱能夠達到1uA的波紋，可是價格也比較貴。這裏有一個小竅門，若是想節約成本，可使用乾電池，它的的波紋特別小。

對於其餘方式的採集，對電源噪音的控制也要有考慮，特別是微弱信號的採集。同時，也要考慮50Hz工頻噪音和日光燈鎮流器的噪音。

下圖是我所在的實驗室中，一個10CM左右導線上存在的干擾：

VISA與SCIP指令

VISA(Virtual Instrument Software Architecture，簡稱爲」Visa」)，即虛擬儀器軟件結構，是VXI plug&play聯盟制定的I/O接口軟件標準及其規範的總稱。VISA提供用於儀器編程的標準I/O函數庫，稱爲VISA庫。VISA函數庫駐留在計算機系統內，是計算機與儀器的標準軟件通訊接口，計算機經過它來控制儀器。

可編程儀器標準命令（英語：Standard Commands for Programmable Instruments，縮寫：SCPI）定義了一套用於控制可編程測試測量儀器的標準語法和命令。

（以上兩段抄的百度百科）

總的來講，這兩種功能提供了計算機程控示波器的接口，對於支持SCPI示波器，都有各自的SCPI指令。

程控的好處就是，能夠自動化的獲取波形，便於後續的攻擊操做，對於某些上位機寫的實在太醜的虛擬示波器（就是說你呢，DSO3254），能夠本身魔改。

因爲每一個示波器的指令或者協議不一樣，有些是本身的協議，因此在此不展開。我傾向於使用通用協議的示波器，這樣對於之後的移植很方便。

觸發的設置

採集中，因爲示波器以極快的速度進行採集，分析全部的數據找到咱們感興趣的區間，不管在空間複雜度仍是運算複雜度上都是不可能的。這個時候，就須要告訴示波器，在何時開始採集。本例中，我編寫的程序的時候，人工設置了一個觸發信號，在執行AES計算的時候，把P0.0引腳拉高，執行以後，把P0.0引腳拉低。

在真實的物聯網設備中，是不可能存在這種觸發信號的，因此，須要採用波形觸發或者指令觸發。指令觸發有兩種，主動觸發和被動觸發。主動觸發就是主動發出指令，讓芯片運行關鍵代碼，發出指令的同時給示波器觸發信號；被動觸發是指經過前期的觀察，獲得芯片運行關鍵代碼以前的指令流，並記錄，使用一個獨立硬件，在狀態機捕獲了相同或類似邏輯的時候直接給示波器觸發信號，通常這種硬件都是獨立於PC的以保證速度，例如Riscure的spider。