一种基于路径剖析优化与VB-EM的电磁侧信道安全评估方法

本发明涉及一种基于路径剖析优化与vb-em的电磁侧信道安全评估方法。

背景技术：

1、伴随5g通信与工业物联网的普及，嵌入式处理器已成为关键基础设施和隐私敏感设备中不可或缺的核心组件。然而，这类设备正面临来自侧信道攻击的严重威胁，该类攻击分析设备运行时的功耗、电磁辐射等物理泄露信息[1], [2]，可绕过传统密码学防护机制。在各类侧信道攻击中，电磁侧信道攻击因具备非侵入、高分辨率的探测能力[3], [4]，在实际场景下嵌入式系统的安全性评估中展现出独特优势，已成为当前研究的焦点领域。

2、电磁侧信道中，信息泄漏的核心载体是隐蔽信道，即由系统合法活动形成、可被滥用传输敏感信息的信道。其容量定义为信道可靠传输信息的最大速率，是量化系统安全风险的关键指标。容量越高，密钥、控制参数等敏感数据被窃取的潜在风险越大5]。因此，精准计算电磁隐蔽信道容量，不仅可为安全设备设计提供量化依据，还能有效评估现有系统的泄漏漏洞，对嵌入式系统安全防护具有重要意义。

3、侧信道容量的早期研究为信息论建模奠定了基础，但受限于理想化假设，实际适用性较弱。millen等人[5]率先将香农信息论与侧信道信息流相结合，构建同步信道模型并计算容量，但其假设信号完美同步传输，与计算机系统中无线隐蔽信道的异步特性严重相悖，导致计算结果与实际场景存在显著偏差。为突破这一局限，yilmaz等人[6]提出插入信道模型，综合考虑指令概率、指令长度及信道噪声等因素，推导容量上下界以刻画蓄意信息泄漏程度。该模型虽较同步信道模型提升了通用性，但未考虑连续指令间的固有依赖关系。事实上，程序中指令的执行遵循严格逻辑顺序，并非相互独立。而这种依赖关系直接决定了电磁泄漏的模式与强度，忽略该因素将导致容量建模精度大幅下降。

4、后续研究尝试将指令序列关系融入容量建模过程，推动侧信道容量计算向精细化发展。yilmaz等人[7]引入马尔可夫源模型，通过捕捉指令间依赖关系及执行时间差异，建立电磁侧信道容量的指令级分析框架。该研究首次将程序执行流水线与侧信道泄漏关联，实现了硬件执行特性与信息泄漏的跨层建模突破。kavcic等人[8]进一步优化了马尔可夫过程转移概率，以提升噪声信道下的互信息率，并提出贪心算法计算有限状态机信道容量的下界，为噪声环境下的容量估算提供了工程化思路。尽管研究取得上述进展，现有成果仍存在以下问题：

5、（1）缺乏场景化建模：现有方法多采用设备级泛化建模[7]，忽略了如图像编解码、密码运算等特定功能场景下程序执行路径的规律性，导致容量估算值偏高，安全评估结果不准确；

6、（2）状态空间复杂度呈指数级增长：传统马尔可夫模型将指令拆分为单位时钟周期子状态，导致状态数量随流水线深度呈指数级增长。这使得计算复杂度极高，无法适配资源受限嵌入式设备的实时评估需求。

7、而电磁侧信道安全评估的核心需求是量化系统信息泄漏的最大上限与定位实际代码的泄漏风险，现有泛化建模方法因忽略场景特性与硬件关联，难以满足嵌入式系统的精准评估需求。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于路径剖析优化与vb-em的电磁侧信道安全评估方法，整合路径分析、物理信号测量与变分贝叶斯优化算法，实现从物理泄漏测量到安全风险量化的闭环分析；通过e 步融合路径与电磁信息计算隐变量后验，m 步结合 dirichlet 共轭先验与自适应权重更新参数，最终基于经验-理论互信息融合实现电磁侧信道容量的精准、鲁棒估计，既遵循信息论理论，又贴合指令状态为隐变量、电磁信号为观测、程序路径提供先验的物理特性。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于路径剖析优化与vb-em的电磁侧信道安全评估方法，包括以下步骤：

4、基准测试程序路径分析与转移概率计算：为特定功能场景的基准程序测试集构建控制流图cfg并进一步转化为有向无环图dag，执行路径分析，统计路径执行频率并计算转移概率，为马尔可夫模型提供场景化转移概率先验，解决泛化建模的参数偏差；

5、电磁侧信道 esp 测量：对给基准测试程序集，测量其各指令运行时的esp， 将物理泄漏特性转化为信道输入参数，提升容量求解精度；

6、基于vb- em 算法的场景化信道容量求解：以转移概率为基础构建马尔可夫信道模型，采用 vb-em 算法量化场景容量；

7、场景化优化方案输出与效果验证：根据场景输出针对性优化方案，实施优化方案后，重新测量电磁泄漏量，确认其降至场景容量阈值以下，确保实际场景中系统泄漏风险可控。

8、本发明产生的有益效果为：

9、（1）场景感知的状态空间优化：提出路径分析与分层聚类相结合的混合策略，该策略将状态复杂度从指数级降至线性级，同时保证建模保真度；

10、（2）基于变分贝叶斯期望最大化的鲁棒容量计算：设计融合狄利克雷共轭先验与路径推导转移概率先验的 vb-em 算法，该算法在低 snr 环境下具备强鲁棒性。

1.一种基于路径剖析优化与vb-em的电磁侧信道安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，将计算机程序的电磁侧信道信息泄漏过程建模为有噪声的fsmc，设信道输入为平稳离散时间马尔可夫随机过程，信道状态是马尔可夫过程，其转移概率为，信道输出是由状态序列诱导的隐马尔可夫序列；

3.如权利要求2所述的评估方法，其特征在于，优化方案的过程包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的评估方法，其特征在于，其特征在于，步骤（3）中，前向变量，刻画时刻处于状态且观测到前个电磁信号的联合概率：

5.如权利要求4所述的评估方法，其特征在于，其特征在于，步骤（4）中，状态转移概率属于多分类分布，每行满足：

6.如权利要求5所述的评估方法，其特征在于，其特征在于，步骤（5）中，基于vb-em算法得到的hmm参数，信道容量定义为：