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低开销高防御：新型抵抗扫描攻击安全可测试性结构探索

一、绪论

1.1研究背景与意义

在信息技术飞速发展的当下，信息安全已然成为国家安全、经济发展以及社会稳定的关键基石。从日常生活中的个人隐私，如社交账号、银行信息，到企业运营中的商业机密，如产品研发数据、客户资源，再到国家层面的国防机密、关键基础设施控制信息等，各类信息的安全保护都至关重要。一旦信息安全遭受破坏，其产生的后果将不堪设想。个人可能面临身份被盗用、财产损失；企业可能丧失竞争优势，甚至面临破产危机；国家则可能面临安全威胁，影响社会的正常运转。

集成电路（IC）芯片作为现代信息技术的核心硬件基础，广泛应用于各个领域，从智能手机、电脑等消费电子设备，到汽车电子、航空航天等关键基础设施，都离不开IC芯片的支持。随着物联网、人工智能、大数据等新兴技术的迅猛发展，IC芯片的应用场景不断拓展，其安全性也面临着前所未有的严峻挑战。扫描攻击作为一种常见且极具威胁性的攻击方式，已然成为IC芯片安全的重大隐患。攻击者借助扫描技术，能够探测芯片内部的电路结构、信号传输路径以及存储的数据信息，进而获取关键信息，如加密密钥、用户敏感数据等，或者对芯片进行恶意篡改，破坏其正常功能。在金融IC卡领域，不法分子通过扫描攻击获取用户的银行卡信息和密码，导致用户资金被盗；在军事领域，敌方若对国防装备中的IC芯片实施扫描攻击，可能获取关键军事机密，严重威胁国家的安全。

扫描设计是提升芯片可测试性的关键技术，它通过构建扫描链，实现对芯片内部触发器状态的直接控制与观测，将复杂的时序电路测试问题转化为相对简单的组合电路测试问题，极大地降低了测试难度与成本。然而，这种设计也为攻击者提供了可乘之机。攻击者利用扫描链，能够在芯片输入端注入精心设计的测试向量，然后在扫描链输出端观测加密运算过程中的中间状态，再结合已知的加密算法知识，就有可能破解密钥，进而实现对芯片的攻击。据相关研究表明，数据加密标准（DES）芯片、高级加密标准（AES）芯片以及椭圆加密算法（ECC）芯片等，都曾遭受基于扫描的侧信道攻击，导致信息泄露和安全事故的发生。

在此背景下，深入研究抵抗扫描攻击的低开销安全可测试性结构，具有极其重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，这一研究有助于深入剖析扫描攻击的原理、机制以及芯片可测试性设计与安全性之间的内在关系，为硬件安全领域的理论发展提供新的思路和方法，丰富和完善硬件安全的理论体系。在实际应用中，该研究成果能够为IC芯片的设计与制造提供切实可行的安全解决方案，有效提升芯片的安全性和抗攻击能力，降低信息泄露和安全事故的风险。这对于保障国家信息安全、促进信息技术产业的健康发展，以及维护社会的稳定和经济的繁荣，都具有不可估量的重要作用。它能够为金融、通信、交通、能源等关键领域的信息安全提供坚实的保障，推动相关产业的安全、稳定、可持续发展。

1.2国内外研究现状

在信息安全领域，抵抗扫描攻击的安全可测试性结构研究一直是国内外学者和工程师关注的焦点。近年来，随着集成电路技术的不断发展，芯片的功能日益复杂，扫描攻击的手段也越发多样化，这使得安全可测试性结构的研究面临着巨大的挑战和机遇。

国外在这一领域的研究起步较早，取得了一系列具有代表性的成果。例如，[学者姓名1]等人提出了一种基于加密扫描链的安全可测试性结构。该结构通过对扫描链中的数据进行加密处理，使得攻击者难以从扫描链输出中获取有用的信息，从而有效抵抗扫描攻击。实验结果表明，在面对复杂的扫描攻击场景时，该结构能够显著提高芯片的安全性，加密后的扫描链数据即使被攻击者获取，也难以从中解析出关键信息。然而，这种结构的加密和解密过程需要额外的硬件资源来支持，这不可避免地增加了芯片的面积和功耗。加密模块的实现需要占用一定的芯片面积，并且在加密和解密过程中会消耗额外的电能，这对于一些对功耗要求严格的应用场景来说，可能会成为限制其应用的因素。

[学者姓名2]团队则致力于研究基于动态扫描链重配置的方法来增强芯片的安全性。该方法通过在测试过程中动态改变扫描链的连接方式，使攻击者难以构建稳定的攻击模型。在实际测试中，这种动态重配置的方式能够有效增加攻击者破解的难度，因为他们无法预测扫描链的下一次连接状态。但是，动态重配置过程需要复杂的控制逻辑来实现，这不仅增加了设计的复杂度，还可能引入新的安全漏洞。控制逻辑的设计需要考虑多种因素，如重配置的时机、方式等，一旦出现设计缺陷，可能会被攻击者利用，从而降低芯片的安全性。

国内的研究人员也在积极探索抵抗扫描攻击的新方法和新结构。[学者姓名3]提出了一种结合硬件水印和扫描链保护的安全可测试性设计方案。该方案在芯片中嵌入硬件水印，用于验证芯片的合法性，并对扫描链进行特殊设计，防止攻击者篡改扫描链数