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智能卡抗DPA攻击的设计与实现-基础电子

0引言

随着个人计算机的蓬勃发展、因特网的演进与电子商务的冲

击，市场对安全与个人隐私保护有了强烈的需求。智能卡拥有轻便与

安全的特性，在网络上的安全付款、网络连接的安全控管与电子签章

等应用领域扮演重要角色。我国已有不少信息安全应用系统借助智能

卡来记忆系统运作所需的秘密信息，并利用智能卡具有的计算能力提

升系统安全，智能卡正逐步取代磁卡而广泛应用于金融及其他相关产

业。

随着对智能卡的攻击方法的不断发展，特别是随着近年来许

多新型的攻击智能卡技术被公开发表，智能卡的安全面临巨大挑战。

这些攻击技术能容易地以低价设备取得的信息，如电力消耗、执行时

间、故障时的输出与输入行为、辐射、电力尖峰情形等信息攻击智能

卡。其中，差分功耗分析(DifferentialPowerAnalysis，DPA)就是一种很

有效的能量攻击方法，其主要是借助统计方法来提取与密钥有关的信

息，实现过程比较复杂，但对攻击者的智能卡技术水平的要求并不是

很高，DPA对智能卡中相关的内嵌加密算法的成功攻击已经被广泛报

道。

智能卡是一种在发卡后可应用程序的公开平台架构，所以为

了防止伪卡与保护持卡人，智能卡必须具有高安全性和高可靠性。

VISA国际组织规定智能卡必须符合的安全技术层次要求，不但其内嵌

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储存体和总线上传递的数据都要求加密，而且智能卡至少要提供一个

以上的对策防止简单功耗分析(SimplePowerAnalysis，SPA)与DPA攻

击。

1智能卡芯片架构

智能卡芯片架构如图1所示，主要由如下模块构成：

(1)嵌入式微处理器：可控制硬件执行相关的指令完成加解密

操作。其一般内置有存储器加解密单元，可通过其存取存储体数据；

并通过硬件防火墙管制应用程序存储体。

(2)内置存储体：智能卡的存储体分为SRAM，E2PROM与ROM

三块区域，其中ROM存放智能卡操作系统、执行环境等程序及数据；

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E2PROM存放用户定制代码，给不同的用户、不同的应用提供灵活的

选择；SRAM为执行系统操作提供临时空间。

(3)复位电路：用于产生系统复位信号，其输入来自RESET

引脚输入的外部复位信号。

(4)随机数产生器：随机数在智能卡的安全性上扮演着重要角

色，密钥生成、数字签名、和鉴别及各种安全通信协议都离不开高质

量的随机数。该模块主要产生无法预测的高质量加密用数据。

(5)ISO7816接口控制器：为智能卡与读卡器数据交换的重要

接口，主要是硬件支持由ISO7816制定的T=0及T=1两种协议，T=0

负责传送字符(Charac-ter)；T=1则负责传送区块(Block)。

(6)中断控制器：用来接收定时单元、加密引擎、接口控制器

的中断要求，并传送“中断”信号给微处理器，通知微处理器外围模块

已完成指定工作或有事情发生。

(7)内置定时单元：主要当作看门狗定时器用，用以监督系统

的运作，监控内部应用程序是否正确执行。若发现程序运行错误，就

会给中断控制器一个中断信号，使智能卡进入暂停状态，一直要等到

重置信号出现才恢复正常运行。

(8)电源控制器：内置的电压传感器和控制电路为其他模块提

供稳定、安全的电源供应。

(9)功耗管理模块：智能卡对功耗的要求很高，该模块是为达

到节省电源的目的设计的省电装置，其带有停止和省电两种工作模式。

其中，停电模式支持ISO7816-3的频率停止模式，以降低整个系统的

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电源消耗；省电模式则根据系统不同模块工作特点规划了各模块的工

作顺序及状态，使工作时间互斥的模块中的一部分工作时，另一部分

工作在睡眠状态，从而达到降低系统整体功耗的目的。

(10)频率产生电路：智能卡作为一个复杂的SoC芯片，其系

统工作频率和加密操作频率是不同的，为此一般的智能卡内部都有

PLL频率产生电路。其频率来自CLK脚输入的外部频率，产生供微处

理器与加密