9. Cấu trúc của Luận án
1.3.1. Đặc điểm điện năng tiêu thụ của thiết bị mật mã
Thành phần chính trong các thiết bị mật mã là các mạch điện tử. Trong công nghệ mạch điện tử, có một giới hạn nhỏ nhất về kích thước vật lý của các phần tử logic nên nó yêu cầu một lượng thời gian tối thiểu để thực hiện chức năng và tiêu hao năng lượng khi mạch hoạt động. Do đó, bức xạ điện từ phát xạ ra từ mạch điện, điện năng tiêu thụ của mạch điện sinh ra một cách tự nhiên từ các hoạt động của mạch điện và không thể loại bỏ. Chúng được coi là các dạng thông tin kênh kề, hay rò rỉ kênh kề của mạch điện và có thể được sử dụng trong tấn công tìm các thông tin bí mật trong thiết bị.
Hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay được chế tạo theo công nghệ CMOS. Điện năng tiêu thụ của một mạch CMOS là tổng điện năng của các phần tử logic tạo thành mạch điện. Do đó, điện năng tiêu thụ phụ thuộc chủ yếu vào số lượng phần tử logic trong một mạch, sự kết nối giữa chúng và cách các phần tử được xây dựng. Để mạch hoạt động, nó được cấp một điện áp không đổi VDD cùng với các tín hiệu đầu vào như trên Hình 1.3. Gọi tổng dòng điện tức thời là 𝑖𝐷𝐷(𝑡) và điện năng tiêu thụ tức thời là 𝑝𝑐𝑖𝑟(𝑡). Điện năng tiêu thụ trung bình Pcir của mạch trong thời gian 𝑇 được tính bởi biểu thức (1.1). 𝑃𝑐𝑖𝑟 =1 𝑇∫ 𝑝𝑐𝑖𝑟(𝑡)𝑑𝑡 𝑇 0 =𝑉𝐷𝐷 𝑇 ∫ 𝑖𝐷𝐷(𝑡) 𝑇 0 𝑑𝑡 (1.1)
20
Cổng đảo đại diện cho các phần tử bởi tất cả các phần tử CMOS được xây dựng trên cơ sở các mạng “kéo lên” và “kéo xuống”. Hình 1.4 mô tả sơ đồ cổng đảo bao gồm một transistor kênh P và một transistor kênh N. Đối với các cổng phức hợp sẽ sử dụng nhiều PMOS và NMOS. Điện năng tiêu thụ của một cổng đảo được chia làm hai phần. Phần thứ nhất là điện năng tiêu thụ tĩnh 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡, chỉ có khi không có chuyển trạng thái trong phần tử và phần thứ hai là điện năng tiêu thụ động 𝑃𝑑𝑦𝑛 được sinh ra nếu một tín hiệu bên trong hoặc một tín hiệu đầu ra của nó thực hiện chuyển trạng thái. Tổng điện năng tiêu thụ của mạch điện (𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) tổng điện năng tiêu thụ của các phần 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡 và 𝑃𝑑𝑦𝑛, 𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡 + 𝑃𝑑𝑦𝑛. Phần điện năng tiêu thụ tĩnh sinh ra do dòng rò và thường rất nhỏ. Phần đóng góp chính trong điện năng tiêu thụ của mạch là điện năng tiêu thụ động được tính dựa trên số các phần tử chuyển trạng thái trong mạch điện và được xác định bởi biểu thức (1.2). Trong đó, 𝑓 là tần số clock, 𝐶𝐿 là trở kháng tải, 𝛼 là hệ số hoạt động của phần tử, và 𝑉𝐷𝐷 là điện áp nguồn cấp. Hệ số 𝛼 được sử dụng để mô tả số phần tử chuyển trạng thái trong mạch.
𝑃𝑑𝑦𝑛 = 𝑓. 𝐶𝐿. 𝛼. 𝑉𝐷𝐷2 (1.2) Phần điện năng tiêu thụ động của mạch điện sẽ phụ thuộc vào số lượng các phần tử logic chuyển trạng thái trong mạch và do đó nó phụ thuộc vào dữ liệu và phép toán đang được mạch thực hiện. Và đây là cơ sở của tấn công phân tích điện năng tiêu thụ, đó là thu thập, phân tích điện năng tiêu thụ qua đó có thể xác định được dữ liệu thiết bị xử lý. Nếu đây là thiết bị mật mã, xử lý dữ liệu khóa thì người tấn công có thể biết được khóa của thiết bị. Chi tiết về các thành phần của vết điện năng tiêu thụ trong ngữ cảnh tấn công phân tích điện năng tiêu thụ được mô tả trong [35].