📚 课程目录第2章物理安全基础

受限设备侧信道风险检测与响应 - 第2节

物理安全基础：密码学中的物理实现

密码学算法，说白了就是一堆数学公式。但数学公式本身不会跑，它得落在硬件上。我见过太多团队，算法选得挺强，AES-256、RSA-4096，结果一上示波器，密钥全在功耗波形里摆着。这就是物理实现的问题。

密码学的物理实现，指的是算法在芯片、FPGA、嵌入式设备上的具体落地方式。你想想看，数学上的“异或”操作，在硬件里就是一堆门电路翻转。翻转就要耗电，耗电就有电磁辐射。这些物理泄露，就是侧信道攻击的切入点。

数学安全证明的是：给定有限计算资源，破解密钥需要天文数字的时间。但物理安全面对的是：我能不能直接量你的功耗、听你的电磁、测你的时间，把密钥“读”出来？

我在项目中遇到过一件事。客户用了一款号称“军用级”的安全芯片，算法是SM4。我们拿近场电磁探头在芯片上方扫了一圈，功耗曲线上的密钥相关性高达0.85。数学上无懈可击，物理上不堪一击。

核心认知：数学安全 ≠ 物理安全。侧信道攻击绕过了数学复杂度，直接攻击物理实现。

我个人习惯把物理实现分成三层，每一层都有对应的攻击面：

攻击者可以从任意一层下手。我见过最狠的，直接拿激光照芯片的背面，通过光电流变化读寄存器内容。这就是物理层的攻击。

安全芯片，就是专门为安全场景设计的芯片。它跟普通MCU最大的区别是：它从设计之初就考虑了物理攻击。嵌入式系统则是这些芯片的运行环境——一个完整的软硬件系统。

我画了一张图，帮你理解安全芯片的内部结构：

嵌入式系统不只是芯片本身，它还包括：

每个接口都可能成为攻击入口。我曾经遇到一个案例，攻击者通过JTAG接口直接读取了固件，然后逆向出了密钥派生函数。这就是典型的嵌入式系统攻击面利用。

注意：很多安全芯片出厂时JTAG接口是锁死的，但有些开发板为了方便调试，会留一个“调试模式”。量产时如果没关掉，就是给攻击者留后门。

物理攻击面，就是攻击者能物理接触到设备时，可以利用的所有弱点。我把它分成三大类：

这类攻击不破坏设备，只是“观察”设备的物理行为：

我个人习惯把功耗分析和电磁分析称为“黄金搭档”。为什么呢？因为功耗信号容易采，但噪声大；电磁信号信噪比高，但需要精确定位。两个结合着用，效果最好。

这类攻击需要物理破坏设备：

嗯，这里要注意。侵入式攻击的门槛很高，需要专业设备。但一旦成功，密钥基本就保不住了。我见过一个团队，用FIB切断了安全芯片的存储器加密模块，然后直接读出了明文密钥。

我的建议：如果你的产品价值足够高（比如金融支付终端），一定要考虑侵入式攻击的防护。主动屏蔽层、存储器加密、总线混淆，这些措施能大幅提高攻击成本。

这类攻击介于两者之间：不破坏芯片封装，但会改变芯片的工作环境：

我曾经用电压毛刺成功绕过一款安全芯片的Bootloader签名校验。原理很简单：在CPU读取签名结果的那一瞬间，把电压拉低，让CPU读到错误的值，从而跳过校验。这就是典型的故障攻击。

在实际项目中，我建议按这个优先级评估攻击面：

实战要点：做物理安全评估时，先从侧信道开始。如果连功耗分析都防不住，就别谈侵入式防护了。我见过太多团队，花大价钱做屏蔽层，结果功耗曲线上的密钥特征一抓一大把。

几年前，我评估过一款智能门锁的安全芯片。流程是这样的：