随着信息技术爆炸式的发展,人们的生活已经步入到无线移动互联时代。当人们沉浸在移动终端、互联网带来便利的同时,也受到钓鱼网站、恶意APP、僵尸网络和被侵入的智能终端硬件不断窃取企业、个人的隐私数据等恶意攻击。因此,网络空间安全越来越受到人们的重视。芯片做为承载数字信息的基本载体,在网络空间安全中具有举足轻重的作用。为了防止芯片被注入故障而造成数据信息泄露,一般通过在芯片内运行加密算法来保护数据的安全。轻量级加密算法占用芯片的空间小、消耗的能量低,被广泛应用在智能硬件终端上。虽然,轻量级加密算法能够在一定程度上保护数据安全,但是在某些故障注入攻击下,这些加密算法也会被破解。为了设计更加健壮的轻量级加密算法,需要对加密算法进行各种评测。在分析方面,本文通过分析代数故障攻击、不可能差分故障分析的基本原理设计了不可能代数攻击分析方法。在故障注入分析模型方面,本文研究了多位置随机故障的分析方法,通过仿真实验和硬件实验验证了该方法的有效性。在加密算法硬件故障注入方面,本文设计了激光故障注入的实验系统,设计了具有融合时钟故障注入、电压抖动故障注入、高温故障注入为一体的非侵入式故障分析系统。论文的主要贡献如下:（1）在故障攻击分析方面,本文将不可能故障分析与代数差分分析相结合,提出了不可能差分代数分析方法。通过分析差分故障传播路径,将不可能存在的故障全部排除,然后通过分析算法内部的性质,建立代数差分方程,进一步缩小密钥空间。利用设计的随机冗余故障分析模型对LED加密算法进行了仿真攻击,并应用不可能差分代数分析对其进行了攻击分析。实验验证了该故障分析方法的有效性,不超过6次故障注入即可恢复密钥。随机冗余故障注入模型能够有效地弥补实际故障注入过程中,可能会带有少量冗余故障的情况,这将对分组密码在故障分析模型方面具有重要的意义。（2）在故障注入模型方面,设计了多位置随机故障的数学分析模型。在Midori加密算法中,该故障分析模型可以实现最多6个半字节的故障分析。本文通过计算机仿真,得到了加密算法Midori的故障攻击与密钥信息量之间的泄露关系。通过数学拟合,得出了适用于该算法的故障注入与待分析密钥信息量的函数关系。这为快速获取密钥提供了理论依据。多位置随机故障分析模型,提高了故障分析的效率,其有助于提高轻量级密码系统的安全性。（3）在激光故障注入的实验测试方面,设计了激光故障注入的硬件测试平台。通过FPGA电路读取单片机运行状态,当故障注入时间达到时,FPGA触发激光器输出脉冲,使其在Midori的第14轮注入激光故障。随机故障注入Midori加密算法后,Midori具有明显的差分结构,根据Midori差分的结构特点设计了优化差分攻击方法。通过激光故障注入后得出的数据,利用该优化差分攻击方法进行分析,可以在平均时间为0.0542秒内分析出故障,这是目前已知分析Midori中耗时最短的。（4）多位置的随机故障注入比单位置的随机故障注入易于实现,但是随机多位置故障注入的分析过程相对复杂。为了验证第三章提出的多位置的随机故障方法的有效性,本文设计了时钟抖动故障注入、电压毛刺故障注入、高温故障注入为一体的非侵入式故障攻击硬件平台,可以实现这三种故障注入的组合攻击。该融合故障注入平台可以实现精度为1 比特的故障注入,也可以实现多位置的随机故障注入。多位置的随机故障注入需要寻找合适的电压毛刺、时钟抖动的故障敏感点。本文通过实际验证,得出了可以快速找到故障敏感点的方法。本文以Midori轻量级加密算法作为研究对象,通过将故障注入到单片机验证了第三章的随机多位置故障分析方法的有效性,说明了随机多位置故障注入在故障分析中的实际意义。