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第1章 概述 1

1.1 对FPGA日益增加的依赖 1

1.1.1 航空航天用FPGA 2

1.1.2 超级计算用FPGA 4

1.1.3 用FPGA分析视频 4

1.1.4 高吞吐量加密用FPGA 5

1.1.5 入侵检测及防范用FPGA 5

1.2 FPGA体系结构 6

1.2.1 可重构硬件的吸引力 6

1.2.2 FPGA的内部结构 7

1.2.3 设计流程 12

1.3 FPGA安全问题的复杂性 15

1.3.1 安全是一个难题 16

1.3.2 复杂度以及抽象 17

1.3.3 烘烤和修补的比较 18

1.3.4 FPGA核的隔离 19

1.4 本书结构 20

参考文献 21

第2章 高保障软件的经验与技术 25

2.1 背景 25

2.2 恶意软件 25

2.2.1 特洛伊木马 25

2.2.2 后门 26

2.3 保障度 28

2.4 相称的保护 28

2.4.1 威胁模型 29

2.5 安全策略的执行 31

2.5.1 安全策略类型 31

2.5.2 策略执行机制 35

2.5.3 可信任部件的组合 45

2.6 保障度管理策略的执行 47

2.6.1 生命周期支持 47

2.6.2 配置管理 50

2.6.3 独立评估 51

2.6.4 动态程序分析 52

2.6.5 可信任发售 54

2.6.6 可信任恢复 55

2.6.7 静态分析 57

参考文献 59

第3章 硬件安全的难点 65

3.1 恶意硬件 65

3.1.1 恶意硬件的分类 65

3.1.2 晶圆代工厂的可信度 66

3.1.3 物理攻击 67

3.2 隐蔽信道定义 69

3.2.1 进程抽象 69

3.2.2 等价类 69

3.2.3 形式定义 70

3.2.4 同步 70

3.2.5 共享资源 70

3.2.6 要求 70

3.2.7 旁路 71

3.3 制约隐蔽信道和侧信道攻击的现有方法 71

3.3.1 共享资源矩阵法 71

3.3.2 缓存干扰 72

3.3.3 FPGA掩码的保护方法 72

3.4 FPGA隐蔽信道攻击的探测及应对 72

3.4.1 设计流程 73

3.4.2 空间隔离 73

3.4.3 存储保护 73

3.5 作为隐蔽存储信道的策略状态 73

3.5.1 状态策略 74

3.5.2 隐蔽信道机制 74

3.5.3 编码方案 75

3.5.4 隐蔽存储信道探测 75

3.5.5 减轻隐蔽信道可能造成的危险 76

参考文献 76

第4章 FPGA更新及可编程性 79

4.1 概述 79

4.2 比特流加密和认证 79

4.2.1 密钥管理 80

4.2.2 战胜比特流加密 81

4.3 远程更新 81

4.3.1 认证 81

4.3.2 可信恢复 82

4.4 部分可重构 82

4.4.1 部分可重构的应用 83

4.4.2 热置换和停机置换的比较 83

4.4.3 内部配置访问端口 83

4.4.4 动态安全性和复杂度 84

4.4.5 客体复用 84

4.4.6 完整性验证 85

参考文献 86

第5章 FPGA的存储保护 88

5.1 概述 88

5.2 FPGA上的存储保护 89

5.3 策略描述与综合 90

5.3.1 存储访问策略 90

5.3.2 硬件综合 92

5.4 高级描述语言 96

5.5 示例策略 97

5.5.1 受控共享 97

5.5.2 访问列表 98

5.5.3 中国墙 99

5.5.4 Bell与LaPadula保密模型 100

5.5.5 高水位线 101

5.5.6 Biba完整性模型 102

5.5.7 编辑 103

5.6 系统架构 105

5.7 评估 106

5.8 使用策略编译器 107

5.9 从数学角度构建严格的策略 110

5.9.1 交叉乘积法 110

5.9.2 实例 111

5.9.3 单一的策略变化 112

5.9.4 混合策略的形式化要素 112

5.10 总结 114

参考文献 114

第6章 采用壕沟技术的空间隔离 116

6.1 概述 116

6.2 隔离 116

6.3 采用壕沟技术的物理隔离 117

6.4 构建壕沟 117

6.4.1 间隔法 118

6.4.2 检查法 119

6.4.3 间隔法与检查法的比较 119

6.5 使用吊桥的安全互连 120

6.5.1 直连的吊桥技术 120

6.5.2 局部重构的路线跟踪 123

6.5.3 共享总线架构的吊桥技术 123

6.6 采用壕沟技术来保护引用监视器 126

参考文献 126

第7章 综合运用：设计实例 127

7.1 多核可重构嵌入式系统 127

7.2 片上外围总线 128

7.3 AES核 128

7.4 逻辑隔离区 129

7.5 引用监视器 129

7.6 状态性策略 129

7.7 安全的互连可扩展性 133

7.8 隐蔽信道 133

7.9 壕沟技术与吊桥技术的合并 134

7.10 实施与评估 135

7.11 软件界面 135

7.12 安全可用性 135

7.13 更多的安全架构示例 135

7.13.1 设计的种类 136

7.13.2 拓扑结构 137

7.14 总结 139

参考文献 139

第8章 前瞻性问题 140

8.1 可信的工具 140

8.2 安全系统的形式验证 141

8.3 安全可用性 141

8.4 硬件可信性 142

8.5 语言 142

8.6 配置管理 143

8.7 供应链的安全防护 143

8.8 针对FPGA的物理攻击 143

8.9 设计盗窃与故障分析 144

8.10 局部重构与动态安全 144

8.11 结论 145

参考文献 146

附录A 计算机体系结构的基本原理 148

A.1 计算机架构师的日常工作是什么？ 148

A.2 CPU、FPGA与ASIC之间的折中方案 149

A.3 计算机体系结构与计算机科学 150

A.4 程序分析 150

A.4.1 处理器仿真科学 150

A.4.2 片上分析引擎 152

A.4.3 二进制测试设备 152

A.4.4 相位分类 153

A.5 新型计算机结构 154

A.5.1 DIVA结构 154

A.5.2 原生微处理器 155

A.5.3 WaveScalar结构 155

A.5.4 应用于医学领域的结构 155

A.6 存储器 156

A.7 超标量处理器 159

A.8 多线程 160

参考文献 161