文章总结： 数缘科技推出FPGA位流提取分析工具，可评测FPGA位流提取漏洞。工具具备三大功能：一是利用WBSTAR寄存器漏洞恢复加密位流，通过构造恶意数据包使FPGA解密后读取明文；二是恢复位流鉴权密钥，通过逐字解密HMAC头尾内容突破安全防护；三是实现位流重加密，利用硬件漏洞在CBC模式下对篡改后的位流重新加密。该工具为FPGA硬件安全测试提供完整解决方案，可在芯片选型阶段深度检测漏洞，防范设计被克隆或篡改的风险。 综合评分： 81 文章分类： 安全工具,二进制安全,漏洞分析,IoT安全,产品介绍

数缘科技新产品介绍——FPGA位流提取分析工具

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2026年2月11日 07:01 河南

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数缘科技新产品介绍——

FPGA位流提取分析工具

FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）作为核心可编程逻辑器件，在电子信息领域发挥着不可替代的关键作用。特别在芯片流片正式启动前，FPGA 承担着芯片设计原型验证的核心使命。芯片流片具有周期长、成本高、风险大的特性，一旦设计存在缺陷，将造成巨额损失，而FPGA可提前承载芯片的设计逻辑，大幅降低流片失败风险、缩短研发周期、控制研发成本，是芯片流片前不可或缺的“设计验证基石”。

而位流作为 FPGA 的专属硬件配置文件，是硬件描述语言（HDL）设计经编译、布局布线后的最终产物。可以说FPGA位流承载了硬件设计工程师的设计灵感与心血。一旦硬件设计被克隆、剽窃、恶意篡改将给公司带来巨大损失。然而很遗憾的是，即便使用了“位流加密+鉴权认证”双重保险机制。测评者仍可能利用硬件级漏洞恢复位流。因此最好的防护措施应当在芯片选型阶段进行深度测试。避免使用有漏洞的产品开展开发工作，防患于未然。

北京数缘科技有限公司于2025年研发了位流提取分析工具，可全面评测FPGA是否存在位流提取漏洞。该套件具有以下三大核心功能：

• FPGA加密位流恢复
• 位流鉴权密钥恢复
• 位流重加密

01

FPGA加密位流恢复

FPGA芯片如果对位流进行了加密保护，用户依然可以通过调试接口将位流读取出来。但读取的数据为密文，难以解析也难以修改。但FPGA启动流程存在一个致命缺陷，FPGA在进行热启动时会将位流解密，指令头中WBSTAR读指令会将程序入口信息存放在WBSTAR寄存器中。即便后续程序认证失败，此过程依然会发生。更为危险的是WBSTAR寄存器并不会因为程序认证失败而清空。这给了测评者极大操作空间。

标准的WBSTAR读指令形如0x30020001，其含义是将当前地址后1个字的内容解密后放置在WBSTAR寄存器。假设有一处密文为Ci在CBC模式下，若人为构造Ci-1⊕Δ，其它数据均不变情况下Ci处解密出来的明文应为Pi⊕Δ。即测评者可有选择的使WBSTAR读指令变为0x30020001⊕Δ。

通过以上方式测评者可自由的将整个加密空间的任意非法区域明文读入到WBSTAR寄存器。并在设备重启后使用通用接口读取到WBSTAR寄存器中未重置的明文数据。多次重复可恢复整个指令区位流。该流程整体界面如下所示。

位流提取分析工具界面

进行加密位流恢复的整体流程为：

• 通过JTAG口读取加密后的位流；
• 在原本加密位流基础上构造恶意数据包；
• 将恶意数据包下载回FPGA；
• FPGA程序执行出错退出；
• 通过JTAG口读取错误执行的程序写入WBSTAR寄存器中的内容；
• 重复上述步骤恢复整个位流指令。

02

位流鉴权密钥恢复

通过上述流程可恢复位流中有效指令，但FPGA中加密数据并非只有指令。加密位流文件格式如下。主要包括白色的未加密部分，和灰色的加密部分。加密部分又分为HMAC头/尾（HMAC header/footer）、配置信息头/尾（configuration header/footer）和电路逻辑部分（fabric data）前文使用到的WBSTAR读取指令就出现在配置信息头中。想要完全突破安全防护还需要恢复HMAC头/尾中内容。

加密位流文件格式

由于HMAC头出现在配置信息头之前，很难使用地址偏移的方式绕过解密密钥恢复明文。但测评者可将待解密内容逐字放置在配置信息头后特定偏移地址。利用漏洞读取硬件解密后的明文，进而恢复哈希头，恢复鉴权密钥。整体流程与FPGA加密位流恢复一致。

03

位流重加密

通过加密位流恢复和鉴权密钥恢复两个功能，基本可以实现对加密位流的解析。但上述方法均使用了硬件漏洞绕过了解密过程。从始至终测评者未恢复密钥。如果测评者想要篡改位流，并重新烧录进有加密模块的FPGA。需要对修改后的明文位流进行加密，在CBC模式下依然可以利用硬件漏洞实现这一步骤。

假设待加密的位流文件尾最后一个字为Pi，首先可随机生成两个密文Ci和Ci-1。对密文Ci进行解密得到硬件解密结果P’i。

P’i=dec(Ci)⊕Ci-1

此时期望硬件解密结果为Pi，可以在保持Ci不变Ci-1情况下改变的值为C’i-1。显然总会存在一个C’i-1使得下式成立。

Pi=dec(Ci)⊕C’i-1

两式联立可以得出，当C’i-1等于如下值时硬件解密时会正确解密为Pi。

C’i-1=Pi⊕P’i⊕Ci-1

依次类推总能推导出前一个密文，最终可以构造出密文为C’1… …C’i-2C’i-1Ci。实现了利用硬件漏洞加密位流文件。重加密过程如下图所示。

位流重加密

以上为本次位流提取分析工具介绍的主要内容。从上文可以看出该套件提供了完整的位流提取、鉴权、篡改、重加密的解决方案。为FPGA硬件漏洞检测提供了强有力支持。希望本文能够对您有所帮助，也希望您能够在评论区中提出自己的相关需求或建议，我们将持续关注用户需求，竭诚为您服务。

关

于

数

缘

数缘科技于2017年研发的侧信道分析测评套件，已为30余家密码厂商提供密码芯片与产品物理安全性测试评估、密码芯片IP核设计、密码产品解决方案咨询等服务，其中服务的3家厂商的产品已获得国密三级认证证书。2021年，数缘科技承担某国家级检测中心“板卡类密码产品检测平台非入侵式攻击检测功能模块”项目，打造面向智能密码钥匙、PCIe密码卡的非入侵式攻击检测平台，通过排除密码芯片物理安全隐患，加固密码产品实现方案，推动我国密码芯片与产品物理安全性水平的整体提升。2024年，数缘科技进一步承担该中心“高等级密码模块安全分析检测平台”中“非入侵式安全检测模块”建设，帮助中心构建了各种常见检测方法的标准化测试流程，并基于人工智能算法提供了更便捷的安全测评方法，进一步丰富了我国密码芯片物理安全测试方法，提高了我国密码芯片安全分析水平。

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