基于灰度圖譜分析的IP 軟核硬件木馬檢測方法

倪林，劉子輝，張帥?，韓久江，鮮明

（1.國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，湖北 武漢 430030）

0 引言

近年來，從應(yīng)用軟件到操作系統(tǒng)再到硬件芯片，黑客在電子系統(tǒng)方面的滲透無孔不入，對信息安全的威脅也呈指數(shù)級增長。應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)中的病毒、惡意軟件等惡意程序給信息安全帶來了極大風(fēng)險，此外，隱藏在底層硬件中的木馬不僅難以發(fā)現(xiàn)且無法通過打補丁方式消除，給硬件安全帶來更大的隱患。

隨著各種智能設(shè)備的普及，嵌入式芯片被廣泛使用，惡意硬件邏輯帶來的危害也進一步放大［1］。在集成電路設(shè)計分工全球化的背景下，芯片供應(yīng)鏈路的每個環(huán)節(jié)都可能存在風(fēng)險［2-3］。集成電路的設(shè)計、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)均存在不可控因素，一旦被別有用心的第三方插入硬件木馬，則會帶來巨大的安全威脅［4-5］。在航空航天、軍事工業(yè)等特殊行業(yè)中，如果使用的這些非可控芯片發(fā)生了安全問題，產(chǎn)生的影響是不可估量的。在電子設(shè)計自動化（EDA）工具的輔助下，為加快設(shè)計進度，構(gòu)成系統(tǒng)級芯片（SoC）的各個關(guān)鍵模塊大量使用可復(fù)用第三方知識產(chǎn)權(quán)（IP）軟核實現(xiàn)［6］，這些可復(fù)用的第三方IP 軟核的安全性難以保證，因此，實現(xiàn)IP 軟核的“自主可控”與“自主可信”成為當(dāng)前形勢下各類信息系統(tǒng)的迫切需求。

目前，在國內(nèi)對IP 軟核硬件木馬檢測的方法中，基于流片后反向分析的破壞式檢測不僅耗時而且費用昂貴，且這些檢測方法不能很好地檢測集成度不斷提高、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的芯片［7-8］。可測試性設(shè)計（DFT）輔助檢測方法目前只支持Verilog 硬件描述語言（HDL）代碼，不支持其他類型的代碼。通過對旁路信號進行分析的硬件木馬檢測方法可能會被工藝變量和各種噪聲影響，對微小惡意邏輯的檢測準(zhǔn)確度不高［9-10］。采用邏輯檢測方法，其測試向量構(gòu)造復(fù)雜，檢測復(fù)雜邏輯時容易錯漏。

為從源頭進行IP 軟核硬件木馬檢測分析，本文提出一種基于灰度圖譜匹配的檢測方法。以Trust-Hub 庫中的“Golden”軟核為基準(zhǔn)，基于灰度圖譜，以分塊匹配原則為準(zhǔn)則，實現(xiàn)對第三方“非可控”IP 軟核硬件木馬的檢測，以確保IP 軟核的安全性。

1 硬件木馬及其在IP 軟核中的實現(xiàn)特征

芯片安全性一直是國內(nèi)外相關(guān)人員關(guān)注的重點，特別是最近幾年，芯片集成度越來越高，工藝愈加復(fù)雜［11］，如目前高端智能芯片常采用三維（3D）堆疊技術(shù)進行集成，在工藝環(huán)節(jié)引入的新步驟會導(dǎo)致額外的惡意邏輯風(fēng)險，且多芯粒3D 堆疊技術(shù)容易造成芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，多芯粒采用的IP 核也很難做到完全自主可控，導(dǎo)致集成后難以發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險［12-14］，這些都使得硬件木馬被惡意植入的方式更加多樣，植入的硬件木馬種類與功能各不相同，一旦被植入后將很難去除，造成的破壞難以估量，最終使得集成電路（IC）的安全難以保證。

1.1 硬件木馬電路

硬件木馬是指芯片在設(shè)計、制造階段被人為植入的具有惡意功能的電路模塊［15］，這些惡意電路模塊如果被不法分子利用，就可對原始電路進行修改甚至破壞，以無條件觸發(fā)或特定條件觸發(fā)的啟動方式達到篡改系統(tǒng)功能、破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)等目的［16-17］。雖然目前硬件木馬的功能、種類、實現(xiàn)方法多種多樣，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是總體上主要由觸發(fā)結(jié)構(gòu)與有效載荷2 個部分組成［18］。硬件木馬結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件木馬結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware Trojan structure

在一般情況下，硬件木馬的觸發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計是能否長期隱藏的關(guān)鍵所在，在激活前硬件木馬處于休眠狀態(tài)。而特殊情況下的硬件木馬不具有觸發(fā)邏輯，一直處于激活狀態(tài)［19-20］。

硬件木馬的有效載荷是其實現(xiàn)功能的核心，硬件木馬被激活后的破壞方式主要有泄露信息、改變功能、拒絕服務(wù)等。

1.2 IP 軟核中的硬件木馬實現(xiàn)

IP 軟核一般采用寄存器傳輸級（RTL）HDL 硬件語言描述，作為IP 核形式之一，IP 軟核是一個功能完整的模塊，在電路設(shè)計中能夠加速設(shè)計流程，為設(shè)計者提供較好的彈性空間。IP 軟核硬件木馬是硬件描述語言（Verilog 或VHDL）所描述的功能規(guī)范之外的冗余電路，其可能是被插入的惡意電路，也可能是被惡意利用的設(shè)計漏洞或用于測試的后門邏輯。這些冗余電路只要能產(chǎn)生功能規(guī)范外的電路輸出或狀態(tài)改變，對涉及國家重要領(lǐng)域的核心系統(tǒng)而言，都可能引發(fā)災(zāi)難性安全問題［21］。從IP 軟核的設(shè)計制造全流程來看，在硬件設(shè)計源頭對硬件木馬進行檢測可行性較強。

在RTL 層面進行電路設(shè)計時一般將邏輯電路分成不同的獨立模塊，未劃分前即為原始模塊，在植入硬件木馬時根據(jù)實現(xiàn)方式的不同插入到對應(yīng)的模塊中，原始模塊和獨立模塊中都有可能被植入硬件木馬。如圖2 所示，存在觸發(fā)結(jié)構(gòu)的硬件木馬可以根據(jù)需求將有效載荷和觸發(fā)結(jié)構(gòu)在同一模塊或不同模塊中實現(xiàn)［22］。硬件木馬實現(xiàn)的具體方式為修改原始功能或新增額外功能。

圖2 硬件木馬實現(xiàn)方式Fig.2 Hardware Trojan implementation method

1.3 IP 軟核硬件木馬檢測

在芯片設(shè)計過程中，通過使用RTL 級IP 軟核可以降低設(shè)計復(fù)雜性，但同時也讓植入的硬件木馬更加靈活。在第三方IP 軟核的使用中，廠商會直接提供HDL 代碼，方便進行配置。植入的硬件木馬一般會對代碼進行改動，因此，從RTL 級對硬件木馬進行檢測是可行且有效的。

傳統(tǒng)的RTL 級硬件木馬檢測方法主要有特征匹配、抽象檢測、信號追蹤［23-25］等3 種，這些檢測方法均將RTL 級硬件木馬的固有特性、Verilog HDL 代碼結(jié)構(gòu)或語法規(guī)則所體現(xiàn)出來的特征作為檢測條件，在不同的場景下會存在一些缺陷。當(dāng)IP 軟核內(nèi)的代碼程序進行了加密處理，傳統(tǒng)檢測手段就難以對硬件木馬進行有效檢測。無論是加密還是不加密，其核心在于對原始代碼是否改變。本文通過灰度圖譜匹配進行硬件木馬RTL 級檢測，是將分析過程從易變的代碼維度轉(zhuǎn)換到靜態(tài)的圖譜維度，圖譜檢測所依賴的是RTL 級代碼映射在灰度圖像上反映出的數(shù)值信息，并非內(nèi)部語法結(jié)構(gòu)或語義信息，在硬件木馬RTL 級檢測方法中具有特殊優(yōu)勢，對加密或未加密IP 軟核均適用。

2 IP 軟核硬件木馬檢測模型

IP 軟核中惡意邏輯的檢測一直是困擾安全人員的難題，由于IP 軟核的知識產(chǎn)權(quán)保護特性，對其進行全覆蓋測試不可能完備，使得隱藏在IP 軟核正常功能描述代碼中的硬件木馬難以激活，尤其是針對加密IP 軟核更加缺少可行的手段［26-27］。

硬件木馬在設(shè)計過程中多通過關(guān)鍵詞隱藏、語義融合等方式提高其隱蔽性，將IP 軟核轉(zhuǎn)成對應(yīng)的灰度圖譜時，在灰度圖譜的維度只要改變功能描述，其反映出的特征將不一致。從灰度圖譜差異的角度進行分析，選擇合適的像素精度進行分塊遍歷匹配，分析遍歷匹配后最大相似度的分布特性，可以實現(xiàn)硬件木馬檢測，且這種方法不需要考慮硬件木馬隱藏邏輯的實現(xiàn)方式和功能特點，適應(yīng)性較好。

2.1 IP 軟核硬件木馬檢測流程

本文以Trust-Hub 構(gòu)建的“Golden”軟核灰度圖譜集作為標(biāo)準(zhǔn)，提出基于灰度圖譜分析的IP 軟核硬件木馬檢測方法，從IP 軟核硬件描述語言程序上對硬件木馬進行檢測并完成初步實現(xiàn)。

實現(xiàn)灰度圖譜匹配IP 軟核中硬件木馬檢測的技術(shù)難點為：一是多領(lǐng)域、全覆蓋的“Golden”軟核集建立，并將其映射為灰度圖譜；二是硬件木馬匹配檢測中的實現(xiàn)細(xì)節(jié)以及對映射的灰度圖譜進行匹配時的算法設(shè)計。這2 個技術(shù)難點的突破是實現(xiàn)高效與準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ)。基于灰度圖譜特征的IP 軟核硬件木馬檢測流程如圖3 所示，具體步驟分為：

圖3 IP 軟核硬件木馬檢測流程Fig.3 Hardware Trojan detection procedure of IP soft core

1）硬件木馬的RTL 級代碼解析。硬件木馬在IP軟核中以Verilog HDL 硬件語言描述存儲，該步驟主要是將HDL 語言轉(zhuǎn)換成灰度圖譜數(shù)據(jù)。

2）“Golden”標(biāo)準(zhǔn)軟核集構(gòu)建。以Trust-Hub 標(biāo)準(zhǔn)硬件木馬庫中的AES、DES、RS232 及其他基準(zhǔn)電路為基礎(chǔ)，通過對標(biāo)準(zhǔn)IP 軟核實例進行處理，構(gòu)建有效的“Golden”軟核灰度圖譜集。

3）灰度圖譜匹配檢測。待測IP 軟核與“Golden”軟核的圖譜匹配是檢測的核心，通過分塊匹配算法實現(xiàn)。

4）可疑灰度圖譜特征的篩選與定位。選定合適的像素矩陣大小，通過逐塊遍歷匹配的方式得到待測圖譜每個分塊與“Golden”軟核灰度圖譜的差異值，選擇相關(guān)性最高的數(shù)值作為該塊矩陣的相似特征，對輸出圖像進行判斷，得到檢測結(jié)果。

2.2 “Golden”軟核集構(gòu)建

對于RTL 級IP 軟核硬件木馬檢測而言，檢測的關(guān)鍵在于找到待測IP 軟核與“Golden”軟核的差異，構(gòu)建“Golden”軟核的灰度圖譜庫。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對灰度圖譜的有效處理和特征顯化，提出合理的硬件木馬檢測分析流程，在流程中最大限度地利用IP 軟核的灰度圖譜特征，分析待測軟核與“Golden”軟核的差異，從而實現(xiàn)硬件木馬檢測。

2.2.1 Trust-Hub 平臺

硬件木馬檢測是一個熱門研究方向，由于硬件木馬性質(zhì)的特殊性，使得公開的硬件木馬設(shè)計實例極少。Trust-Hub 平臺提供了硬件安全研究所需的資源，其包含多種被廣泛應(yīng)用的電路，如AES、RS232、MC8051、Basic RSA 等，并且針對每種電路都插入了由小到大不同規(guī)模的各種硬件木馬，具有良好的通用性，因此，該網(wǎng)站基準(zhǔn)電路數(shù)據(jù)集的可信度及檢測的可行性較高。

2.2.2 “Golden”軟核集構(gòu)建流程

“Golden”軟核集的構(gòu)建以Trust-Hub 庫中的標(biāo)準(zhǔn)電路為基礎(chǔ)，可以快速建立并及時更新擴充標(biāo)準(zhǔn)電路，確保檢測準(zhǔn)確度。“Golden”軟核集構(gòu)建的整體流程為：從庫中取出已知IP 軟核的標(biāo)準(zhǔn)電路源代碼，通過灰度圖譜算法進行相關(guān)處理，得到“Golden”軟核圖譜，同理獲得其他類型的標(biāo)準(zhǔn)電路，得到“Golden”軟核集。上述過程實現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 “Golden”軟核集構(gòu)建流程Fig.4 "Golden" soft core set construction procedure

“Golden”軟核集的構(gòu)建步驟如下：

1）從Trust-Hub 庫中選取標(biāo)準(zhǔn)電路進行灰度圖譜轉(zhuǎn)換，得到RTL 級文件的二進制數(shù)據(jù)流，具體過程如算法1 所示。

算法1“Golden”數(shù)據(jù)圖譜轉(zhuǎn)換算法

3 IP 軟核硬件木馬檢測算法

灰度圖譜匹配算法的核心在于將硬件木馬RTL級程序映射成灰度圖譜進行檢測，對加密和非加密的IP 軟核均適用，不需要借助硬件木馬的語義特征、行為特征等進行篩選檢測，而是通過RTL 級程序在灰度圖譜上的數(shù)值進行分析。雖然硬件木馬可能存在不同變種，這些變種的代碼、結(jié)構(gòu)等有一定區(qū)別，但是從同一個木馬源文件演化出的變種依舊會有相似性，這種相似性可以體現(xiàn)在硬件木馬對應(yīng)的灰度圖譜中。通過將灰度圖譜的方法應(yīng)用到硬件木馬檢測中，可以有效實現(xiàn)對IP 軟核安全性的判定。

3.1 灰度圖譜

灰度圖譜即只用黑白來表示圖像中的亮度信息，不關(guān)注其中的色彩值。為了方便亮度值的量化，同時便于計算機進行處理，可以將灰度分成0～255共256 個級別，其中0 代表全黑（最暗），255 代表全白（最亮）。將IP 軟核內(nèi)的RTL 級程序通過算法得到對應(yīng)的灰度圖像，即程序文件的灰度圖譜，具體流程如圖5 所示。

圖5 灰度圖譜的產(chǎn)生流程Fig.5 Procedure of grayscale map generation

灰度圖譜算法是把RTL 級程序映射成灰度圖譜的具體實現(xiàn)過程，其步驟如算法3 所示。

算法3灰度圖譜算法

3.2 灰度圖譜匹配

正常轉(zhuǎn)換后的灰度圖譜較大，紋理特征無法明顯表示出來，為提升檢測精度，選取分塊匹配的方式進行處理，從圖譜中取出一個分塊圖譜A，從另一圖譜中取出與A 相同尺寸的分塊圖譜B，對A 與B 進行像素值的差值計算，將得到對應(yīng)像素的差值用矩陣K［i］進行保存，具體匹配過程如圖6 所示。

圖6 匹配檢測過程Fig.6 Matching detection process

像素值的差值計算與矩陣的差值計算相似，計算方式為：

將得到的差值矩陣K［i］進行矩陣求和，將得到的求和值SSum保存到I［i，j］。矩陣求和運算公式為：

I［i，j］需要進行正值處理，將矩陣中所有元素變?yōu)檎担〗^對值即可，運算公式為：

經(jīng)過正值化的I［i，j］就是圖譜A 與圖譜B 在對應(yīng)像素的差值，差值的大小代表兩者在圖譜對應(yīng)位置的差異，差值越大，表示兩者區(qū)別越大；反之，兩者相似度越高。

3.3 圖譜差異檢測

通過圖譜匹配得到圖譜A 與圖譜B 的差異值I［i，j］。I［i，j］每一行代表從圖譜A 中取出的每一個分塊圖譜與圖譜B 中每一個分塊圖譜的差異，找到此行中最小的差異值，就代表取出的待測分塊在“Golden”圖譜最相似的位置。對I［i，j］的每一行進行取最小值處理，并把結(jié)果保存到Min［x］，其最小值函數(shù)表達式為：

4 實驗驗證

實驗利用Winhex、Matlab 工具，實現(xiàn)灰度圖譜轉(zhuǎn)換、匹配檢測等功能，并以Trust-Hub 庫中典型的B19-T100、S38417-T200、Wb_conmax-T100 等系列IP 軟核為例進行實驗驗證。

4.1 實驗對象

IP 軟核B19-T100 中設(shè)計實現(xiàn)的是一種典型的硬件木馬，該硬件木馬觸發(fā)器是一個特定的矢量（10110101）計數(shù)器，它會用另一個特定的矢量（11111111）重置，當(dāng)計數(shù)器值在100～110 之間時木馬觸發(fā)器即被激活。木馬的有效載荷是一個“或”門，通過重新連接設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。按照硬件木馬分類原則，它屬于在設(shè)計階段插入的門級別、內(nèi)部基于時間觸發(fā)、改變系統(tǒng)功能的硬件木馬，同時其物理特征表現(xiàn)為緊密、功能與布局相同。B19-T100 所植入的木馬代碼如下：

4.2 檢測過程

4.2.1 預(yù)處理

首先將待測樣本IP 軟核的RTL 級文件取出，通過處理得到待測樣本的十六進制數(shù)據(jù)流，命名為“Sample to be tested”，“Golden”軟核重復(fù)上述操作，文件命名為“Golden Set”。將處理得到的十六進制數(shù)據(jù)流作為Matlab 的輸入，分別得到新矩陣G［i］與C［i，j］，分別取 待測樣本G［i］與“Golden Set”的C［i，j］并進行標(biāo)準(zhǔn)化，將數(shù)據(jù)量大小設(shè)為9×105，灰度圖譜大小設(shè)為1 800×500，圖譜大小的設(shè)定需要通過多次實驗得到，太小會導(dǎo)致特征信息損失無法識別，太大不僅導(dǎo)致計算量過大，也會導(dǎo)致特征信息被淹沒，識別效果不明顯。

4.2.2 圖譜匹配

設(shè)定分塊圖譜大小為5×500 并進行匹配，通過循環(huán)遍歷進行滑動匹配，基于矩陣數(shù)值實現(xiàn)像素級的差值計算，循環(huán)得到所有待測樣本分塊在“Golden Set”相應(yīng)位置上的差異值。對每一次差值計算完成的數(shù)據(jù)進行累加，差異值的大小反映在數(shù)值上而非符號上，因此，需要進行絕對值處理。

4.2.3 差異檢測結(jié)果分析

對完成匹配檢測后得到的數(shù)據(jù)進行取最小值處理，并記錄取值的位置，使用plot 函數(shù)對結(jié)果進行展示輸出。通過對Min［x］進行輸出，觀察最大相似度的分布特性，判斷圖像是否存在明顯尖峰，若存在明顯尖峰，則證明待測樣本中含有硬件木馬，反之，則不含有硬件木馬。IP 軟核B19-T100 實驗結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 B19-T100 含木馬樣本檢測匹配結(jié)果Fig.7 Detection and matching results of samples containing Trojans in B19-T100

圖8 B19-T100 不含木馬樣本檢測匹配結(jié)果Fig.8 Detection and matching results of samples without Trojans in B19-T100

從含有硬件木馬程序的IP 軟核與“Golden”軟核的灰度圖譜匹配結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)明顯的尖峰，這就表明待測樣本中出現(xiàn)了與“Golden”軟核較大的特征差異，說明待測樣本此段代碼與“Golden”軟核內(nèi)的代碼不相符，極有可能是被惡意植入的硬件木馬。從實驗回溯情況來看，3 個尖峰對應(yīng)的位置均為木馬代碼出現(xiàn)的位置，這種方法不僅可以檢測是否存在木馬，也可以用來定位木馬所在位置。在圖8 中，用不含硬件木馬程序的IP 軟核與“Golden”軟核進行灰度圖譜匹配檢測，其中未發(fā)現(xiàn)明顯尖峰，這就表明此軟核含有硬件木馬的概率極低。

同理，以相同的實驗條件分別對S38417-T200、Wb_conmax-T100 進行檢測，結(jié)果如圖9～圖12 所示。可以看出，3 種類型的硬件木馬在結(jié)構(gòu)、功能方面差異較大，且插入位置不唯一，本文方法對不同類型硬件木馬進行檢測時檢測圖像有較大區(qū)別，但均可以實現(xiàn)惡意邏輯的檢測和定位。

圖9 S38417-T200 含木馬樣本檢測匹配結(jié)果Fig.9 Detection and matching results of samples containing Trojans in S38417-T200

圖10 S38417-T200 不含木馬樣本檢測匹配結(jié)果Fig.10 Detection and matching results of samples without Trojans in S38417-T200

圖11 Wb_conmax-T100 含木馬樣本檢測匹配結(jié)果Fig.11 Detection and matching results of samples containing Trojans in Wb_conmax-T100

圖12 Wb_conmax-T100 不含木馬樣本檢測匹配結(jié)果Fig.12 Detection and matching results of samples without Trojans in Wb_conmax-T100

為進一步驗證并分析算法的有效性，選取5 個類型共18 種硬件木馬進行實驗。表1 列出了B19、B15、S38417、S38584、Wb_conmax 系列硬件木馬的功能與所占源程序的體量，通過圖譜檢測，對以上木馬的檢測識別率達到了92%以上。

表1 圖譜檢測的木馬識別率Table 1 Trojan recognition rate for graph detection

上述實驗結(jié)果充分說明了灰度圖譜檢測的有效性，該算法在多次測試的基礎(chǔ)上，選取檢測效率最高的分塊大小進行分析，將待測軟核中的每一個分塊圖譜在“Golden”軟核的灰度圖譜中進行一次遍歷，若此待測分塊中沒有硬件木馬，遍歷后會在“Golden”軟核圖譜中有一個位置與之對應(yīng)。雖然匹配過程中會出現(xiàn)位移偏差，但是經(jīng)過求和統(tǒng)計后，偏差可忽略不計。此外，通過取最小值處理，也可以降低誤差，提高檢測的準(zhǔn)確性。從差異值分布特性的結(jié)果可以明顯看出硬件木馬是否存在，從而實現(xiàn)對IP 軟核RTL 級硬件木馬的檢測識別。

5 結(jié)束語

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，IP 軟核被惡意植入硬件木馬的風(fēng)險與日俱增，通過在IP 軟核的RTL 級設(shè)計階段進行硬件木馬檢測可以避免被惡意攻擊。本文提出的灰度圖譜匹配檢測方法實現(xiàn)了對IP 軟核硬件木馬的有效檢測，與傳統(tǒng)基于功能測試和特征匹配的方法相比，該方法能有效應(yīng)對硬件木馬變種多、加密處理失效的問題，具有硬件木馬檢測效率高、不受加密處理影響等特點，對于保證芯片使用安全具有一定的現(xiàn)實意義。下一步將對“Golden”軟核庫進行完善，擴充檢測適用范圍，可引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行硬件木馬種類識別，實現(xiàn)對硬件木馬的精準(zhǔn)分類。