4. 简单功耗分析（SPA）实操：从波形里“读”出密钥
简单功耗分析，英文叫 Simple Power Analysis，简称 SPA。说白了，就是直接盯着芯片干活时消耗的电流波形，用肉眼（或者简单算法）去猜它在干什么。
你可能会问：功耗波形能看出啥？我告诉你，能看出的东西多了。芯片执行不同指令、处理不同数据时，消耗的电流是不一样的。这个差异虽然小，但用示波器抓出来，放大一看，清清楚楚。
我记得刚入行那会儿，带我的老工程师扔给我一段 DES 加密的功耗轨迹，说：“你看看，密钥第 3 位是 0 还是 1？”我当时一脸懵。后来他指着波形上的几个小突起，给我讲了十分钟，我才恍然大悟——原来 SPA 这么直观。
4.1 采集单一加密操作的功耗轨迹
做 SPA 的第一步，是把芯片干活时的“心电图”给录下来。你需要三样东西：
- 目标芯片：比如一个跑着 DES 算法的智能卡或 MCU。
- 示波器：采样率至少 1GSa/s，带宽 100MHz 以上。
- 触发信号：让示波器知道“加密开始了”。
具体操作步骤，我一般这么干：
- 在芯片的 VCC 引脚上串一个小电阻（比如 10Ω），用示波器探头测电阻两端的电压差。
- 把芯片的某个 GPIO 在加密开始时拉高，加密结束时拉低，作为触发信号。
- 设置示波器为上升沿触发，采样深度调到能覆盖整个加密过程。
- 跑一次加密，抓一条轨迹。
抓到的轨迹长什么样？大概是这样：
电压 (mV)
^
| __ __ __ __ __
| | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | |
+-----------------------------------> 时间 (us)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
每个“鼓包”对应一轮加密操作。你看，16 轮 DES，波形上就有 16 个明显的峰。
4.2 识别操作序列：以 DES S 盒查找为例
拿到波形之后，怎么看出芯片在干什么？这需要你对目标算法的实现细节有了解。
拿 DES 来说，它的核心操作是 S 盒查找。S 盒本质上是一个 6 位输入、4 位输出的查表操作。芯片在执行查表时，会去内存里读一个预先算好的值。这个“读内存”的动作，在功耗波形上会留下一个独特的“凹陷”或“尖峰”。
我教你看：
- 粗看轮数：DES 有 16 轮，波形上就有 16 个相似的“大块”。数一数，是不是 16 个？
- 细看每轮：每一轮里，你会看到几个小峰。第一个小峰是“扩展置换”，中间 8 个小峰是“8 个 S 盒查找”，最后一个小峰是“P 盒置换”。
- 找异常：如果某个 S 盒查找的波形比其他 S 盒明显宽或窄，说明那个 S 盒的输入数据有特殊之处——很可能跟密钥有关。
4.3 从轨迹中提取密钥信息
好，现在你看到了 16 轮，看到了 8 个 S 盒。怎么从里面抠出密钥？
我举个例子。假设你抓到了 DES 第一轮的功耗轨迹，你发现第 3 个 S 盒查找的波形，比第 1 个 S 盒查找的波形“胖”了 10%。
为什么会这样？因为 S 盒查找的耗时跟输入数据有关。某些输入组合会让芯片走更长的路径，或者触发更多的总线翻转。这个“胖瘦差异”，直接泄露了 S 盒的输入值。
具体做法：
- 把第一轮 8 个 S 盒查找的波形片段截出来。
- 测量每个片段的宽度（耗时）或高度（峰值电流）。
- 对比已知的 S 盒输入-功耗模型，反推出 S 盒的 6 位输入。
- 有了 S 盒输入，结合已知的明文，就能算出密钥的一部分。
我曾经在一个项目里，用这个方法，只用了 3 条轨迹就把一个 8 位 MCU 上的 DES 密钥给还原了。当时客户还不信，我当场演示了一遍，他看完沉默了。
4.4 SPA 防御思路：掩码与隐藏
既然 SPA 这么厉害，那怎么防？我主要用两招：掩码和隐藏。
4.4.1 掩码（Masking）
掩码的思路很简单：让芯片处理的数据每次都不一样，但最终结果正确。
具体做法：
- 在加密开始前，生成一个随机数
m（掩码）。 - 把明文
p和掩码m一起送进算法，计算E(p ⊕ m)。 - 最后再用掩码把结果修正回来：
E(p) = E(p ⊕ m) ⊕ something。
这样一来，芯片每次执行的中间值都不一样，功耗波形也就没有固定的模式可循了。
我见过一个产品，用了 16 位掩码，SPA 波形看起来就像白噪声，完全看不出轮数。但代价是速度慢了 30%，面积大了 20%。
4.4.2 隐藏（Hiding）
隐藏的思路是：让所有操作的功耗看起来都一样。
常用方法：
- 恒定时间实现：不管输入是什么，都执行同样多的指令。比如 S 盒查找，不管输入是 0x00 还是 0x3F，都走同样的循环次数。
- 随机插入空操作：在加密过程中随机插入 NOP 指令，让波形的时间轴对不齐。
- 功耗平衡：用互补逻辑电路，让 0 和 1 的功耗一样。
4.5 本章知识体系
下面这张图，帮你把 SPA 的流程和防御串起来：
4.6 避坑指南
最后，分享几个我踩过的坑：
- 别急着上统计：SPA 的精髓是“看”，不是“算”。先肉眼观察波形，找异常点，再动手分析。一上来就跑相关性能量分析（CPA），容易忽略细节。
- 触发信号要干净：触发抖动会让波形对齐不准，导致你看到的“胖瘦”其实是时间错位。我吃过这个亏，浪费了两天。
- 注意电源噪声：芯片的供电纹波会叠加在功耗信号上。如果波形毛刺太多，先检查电源滤波。
- 别迷信示波器：高采样率不等于高信噪比。有时候用 100MSa/s 反而比 1GSa/s 看得更清楚，因为噪声更少。
嗯，SPA 就讲到这里。你回去找一块开发板，跑个 DES 或者 AES，抓几条轨迹看看。相信我，当你第一次从波形里“读”出密钥的时候，那种成就感，比打游戏通关爽多了。