作者：backahasten 0xFA
在N久之前的上篇文章中，我们讨论了如何对已经采集好的能量轨迹进行侧信道攻击，但是，有个问题我挖了一个坑，就是如何对芯片的能量轨迹进行采集。今天我会讨论这个问题。
本文会先介绍采集设备和相应的示波器使用和通信上的一些知识，之后介绍三种进行能量轨迹采集的方法和注意事项，并对比他们的优缺点，最后说一下我在采集中的噪音控制问题。
设备信息
采集设备
目前，我可以使用的有三台示波器，一台USRP和一个Chipwhisperer，三台示波器的性能分别是：
| 品牌型号 | 模拟带宽 | 最大采样率 | 价格 |
|---|---|---|---|
| 梦源实验室 dscope20 | 50Mhz | 200M | 499 |
| RIGOL DS1074 | 70Mhz | 1G | 2800 |
| 汉泰 DSO3254 | 250Mhz | 1G | 2400 |
其中，dscope和汉泰dso3254是虚拟示波器，没有屏幕，需要使用usb或者网线连接电脑，使用电脑屏幕显示，而RIGOL DS1074是传统的示波器。USRP 型号是B210，由于超外差接收机结构，USRP有很大的频率覆盖范围。
解释一下模拟带宽和采样率的问题。电路板和接口，由于物理原因，不可能容纳所有频率的信号，频率越高，在电路板上的衰减和失真程度越大。这样的话，示波器的模拟前端就等效为一个低通滤波器，当正弦波输入信号幅度衰减到 -3dB 时的频率就是标注的模拟带宽。模拟带宽直接决定了一个示波器可以测量的最大保真频率，当然是越大越好。
最大采样率是指信号经过模拟带宽之后，进入了模数转换的阶段，这时候，模数转换系统会以采样率为频率对波形进行采样，由连续的波形编程离散的点，只有这样，才能进行后续的数字信号处理。对于正弦波，采样频率要不小于2倍正选波频率才能不失真的恢复出波形。
举一个极端的例子，我要测量一个波形，这个波形中，有意义的频率分量最大是10Mhz，那么我的示波器模拟带宽不能低于10Mhz，采样率不能低于20M，只有满足这两点，才有可能完整保留有意义的信息。
滤波器
上文中我们说“有可能完整保留”，是因为我们缺少了一个重要的部件，滤波器。我们的示波器的采样率是1G，也就是说最大只能恢复出500Mhz的正弦波。那么大于500Mhz的部分就会由于不完整的采样变成一些低频成分对信号产生干扰。虽然有模拟带宽等效滤波器进行了限制，但是如果采样时间超过了储存深度，示波器会进行采样率的主动下降。对于本文中的设备，50Mhz的低通滤波器就足可以了。
一般来说，示波器也有带宽限制的功能，RIGOL DS1074 和 汉泰 DSO3254都有20Mhz的带宽限制，打开之后的效果可以等效为增加了低通滤波器。
探头与匹配阻抗
另外一个部件就是探头了，探头的作用就是把数据引入示波器。探头也是有模拟带宽的，物理原因和示波器的模拟带宽一样。选择的时候带宽不要低于示波器。探头上有一个开关，两个挡位，X1和X10，X10挡位的带宽一般大于X1挡位，但是由于衰减，信号强度也会少很多，可以通过加放大器进行改良。
匹配阻抗是传输线理论中很重要的概念，一般情况下，通信设备的匹配阻抗都是50欧姆（广电传媒通信中是75欧姆），而示波器的阻抗都是1M，部分高端示波器也有50欧姆的输出。如果使用了放大器，那么就要进行阻抗的匹配，可以使用阻抗转换器进行阻抗的匹配。接收时候，如果阻抗不匹配，会影响信号采集的质量。
实验设备
硬件配置
本实验中，我使用了一个STC15的C51单片机运行AES128，芯片的封装图如下：
由于其内置了起振电路和复位电路，所以电路板上只有芯片排针和采样电阻，如图：
采集方法
GND漏电流
这种方法需要在芯片的GND引脚和真实0电位点中间串联一个小电阻（本实验中为10欧姆），之后测量这个电阻上的电压波动。本实验中如图所示：
获取的信号如图所示：
这种方法获取到的信号是特别干净的，我们可以清晰的看见AES执行的九轮半结构（AES最后一轮没有MixColumns）。
这种方法的缺点也是很大的，在实际的产品中，去除GND引脚的焊接，接入小电阻是十分困难的事情。这种方法一般用在可以直接供电的设备中，例如演示板或者各种接触式卡片。
芯片电压
这种方法直接测量芯片的电压波动，探头连接在芯片的VCC和GND引脚：
这种方法可以直接焊接上去，不需要进行拆焊这种高难度动作。相应的采集到的信号信噪比也会低一些，但是还是可以清晰的看出来AES128的轮结构：
这种方法在信噪比和连接难度上都还可以，是比较好的一种方法。但是，对于多核SOC或者使用AES协处理器进行运算的情况，信噪比就会大大降低。
电磁波
一个SOC中，每个核心或者协处理器是不可能做在一个位置上的，一定有物理上的距离，这样就可以使用性能优良的电磁探头进行采集。可以完成这种精度电磁采集的探头价格都在几万到几十万，同时需要微动台进行细微距离的移动（人手的精度就不用想了），由于穷，这种采集方法对我来说也就是，想一想。
其他注意事项
最重要的体会就是，搞硬件安全真**费钱。
噪音控制
在上一步的采集中，我们使用了在芯片VCC和GND引脚上的电压波动。如果仔细观察一下，就可以发现实际上测量的除了芯片上的电压，还有电源的噪音，这种情况下，电源的波纹会完整的混入采集信号中，所以要采用更好的供电设备，经过我的测试，断开充电器的笔记本电脑USB供电和稳压电源供电效果是比较好的，手机充电器USB供电和充电宝效果很差，要说电源波纹最好的，应该是iPower的电源适配器，标称可以达到1uA的波纹，但是价格也比较贵。这里有一个小窍门，如果想节约成本，可以使用干电池，它的的波纹特别小。
对于其他方式的采集，对电源噪音的控制也要有考虑，特别是微弱信号的采集。同时，也要考虑50Hz工频噪音和日光灯镇流器的噪音。
下图是我所在的实验室中，一个10CM左右导线上存在的干扰：
VISA与SCIP指令
VISA(Virtual Instrument Software Architecture，简称为”Visa”)，即虚拟仪器软件结构，是VXI plug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其规范的总称。VISA提供用于仪器编程的标准I/O函数库，称为VISA库。VISA函数库驻留在计算机系统内，是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机通过它来控制仪器。
可编程仪器标准命令（英语：Standard Commands for Programmable Instruments，缩写：SCPI）定义了一套用于控制可编程测试测量仪器的标准语法和命令。
（以上两段抄的百度百科）
总的来说，这两种功能提供了计算机程控示波器的接口，对于支持SCPI示波器，都有各自的SCPI指令。
程控的好处就是，可以自动化的获取波形，便于后续的攻击操作，对于某些上位机写的实在太丑的虚拟示波器（就是说你呢，DSO3254），可以自己魔改。
由于每个示波器的指令或者协议不同，有些是自己的协议，所以在此不展开。我倾向于使用通用协议的示波器，这样对于以后的移植很方便。
触发的设置
采集中，由于示波器以极快的速度进行采集，分析所有的数据找到我们感兴趣的区间，无论在空间复杂度还是运算复杂度上都是不可能的。这个时候，就需要告诉示波器，在什么时候开始采集。本例中，我编写的程序的时候，人工设置了一个触发信号，在执行AES计算的时候，把P0.0引脚拉高，执行之后，把P0.0引脚拉低。
在真实的物联网设备中，是不可能存在这种触发信号的，所以，需要采用波形触发或者指令触发。指令触发有两种，主动触发和被动触发。主动触发就是主动发出指令，让芯片运行关键代码，发出指令的同时给示波器触发信号；被动触发是指通过前期的观察，得到芯片运行关键代码之前的指令流，并记录，使用一个独立硬件，在状态机捕获了相同或相似逻辑的时候直接给示波器触发信号，一般这种硬件都是独立于PC的以保证速度，例如Riscure的spider。
GND短路
一般来说，示波器的所有GND引脚都是相通的，如果使用多个探头的时候，不同探头的GND之间存在电压差，就会产生电流。连接的时候，要综合考虑被测电路的结构，避免出现短路影响测量甚至烧坏仪器。
尾声
最后给大家AES执行第一轮附近和最后一轮附近的两张图，大家可以对比AES128的算法，猜一下字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）的位置，静静聆听芯片的低声耳语。
（AES第一轮）
（AES最后一轮和倒数第二轮）
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