利用1-Wire®接口的SHA-1安全存储器实现Xilinx® FPGA的识别及防拷贝机制

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利用1-Wire®接口的SHA-1安全存储器实现Xilinx® FPGA的识别及防拷贝机制

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开发电子产品，包括嵌入式FPGA的配置代码，其成本是相当高的。因此应当防止未经授权的机构对这些设计和配置进行拷贝，以保护设计者的知识产权。有很多种方法能实现这样的保护功能。如在Xilinx Virtex-II®和Virtex-4®这类的高端FPGA中，支持对配置数据流的加密操作。这样仅当FPGA中含有相同的密钥时，这些数据流才可以工作。但是这种加密的方法对更为广泛的、对成本很敏感的应用场合来说不甚合适。因此，这里利用另一种可行的身份识别法来防止意外拷贝。这种方法对所有FPGA家族都适用，包括低端的Xilinx Spartan-3®和Spartan-6® FPGA。

6 Y, N8 _0 |' u5 s; X! r前提
在身份识别的概念中，要求FPGA的设计者实现与一个安全存储器通讯的功能以进行认证工作。图1是实现该设计的一个简化原理图。

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+ ~' I4 k/ G* u图1. Maxim的1-Wire存储器件为FPGA提供安全控制和保护的简化框图

安全存储芯片需满足下列要求：

• 包含用于芯片内部操作的密钥，该密钥对外界不可见。
• 包含一个唯一的不可改变的识别号。可用该识别号来计算一个与设备绑定的密钥。
• 能够进行包含密钥、随机数(用做质询机制)、唯一识别号及附加数据(常数)在内的HASH运算。
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为了满足应用所需的安全性，该HASH算法应满足：

• 不可逆—要使从一个HASH结果逆推出与之相关的输入数据在计算上是不可行的。
• 防“碰撞—使用另外一组输入数据来产生一个相同的HASH结果是不可行的。
• 具有极高的雪崩效应—输入数据的任何变化，都会极大的影响到HASH运算结果。
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SHA-1算法—一个被全面而广泛验证的单向HASH算法可以满足上述需求。该算法由美国国家标准技术局开发，被ISO/IEC 10118-3:2004国际标准所采用。公众可在NIST的网站上获得该算法的数学原理。
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DS28E01-100和DS2432是Maxim提供的内置SHA-1算法的安全存储器。这些器件的1-Wire接口非常适合此类应用，因为他们只需FPGA的一根引脚就可实现这些功能。

FPGA需实现下述功能，以利用这些器件的安全特性：

• 产生随机数。
• 知道一个用于芯片内部运算的密钥，且该密钥对外界不可见。
• 同安全存储器一样进行包含密钥、随机数、附加数据及器件识别号在内的HASH计算。
• 比较HASH计算结果。
  

以上对FPGA的功能要求需要FPGA具备微控制器的性能，例如PicoBlaze™，它是Xilinx专用于Spartan-3，Spartan-6，Virtex-II，Virtex-II Pro®，Virtex-4® FPGA和CoolRunner®-II cpld的自由宏。PicoBlaze使用192个逻辑单元，仅为Spartan-3 XC3S200器件的5%。

技术的实现
$ f6 T% u  q0 n  A4 K7 q+ u" a当器件上电后，FPGA从Flash PROM中读取数据对自己进行配置。配置完成后FPGA的微处理器功能被启动并进行认证工作，该认证工作包括下列步骤：

• 产生一组随机数并作为一个质询机制(Q)发送给安全存储器。
• 向安全存储器发出指令，要求其计算一个基于密钥、质询机制、唯一识别号和固定附加数据的HASH结果。
• FPGA本身计算一个基于其自身存储密钥、发送给安全存储器的相同数据和固定附加数据的期望HASH结果(E)。
• 读取由安全存储器件所计算出的HASH结果作为响应(A)与期望HASH结果(E)做比较。
  

如果A和E相匹配，微控制器认为该电路是“友方”电路，因为它拥有正确的密钥。此时FPGA进入正常工作状态，开启/执行其配置数据中的所有功能。如果A和E不匹配，则该电路被认为是一个“敌方”电路。此时FPGA进入非正常运行状态，只执行有限的功能。
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此过程的安全性何在?
! |# l" t+ |" B$ ~" I& l对于每个制造单元，设计所有者(OEM)必须为制造带有嵌入式FPGA产品的一方(制造商或CM)提供一个正确预编程的DS28E01-100或DS2432。这种一对一的关系限制了CM可以制造的授权产品的数量。为防止CM窜改安全存储器(或许CM会以存储器没有被正确编程为由申请需要更多存储器)，因此建议对密钥进行写保护。即使不进行写保护，也无需担心1-Wire EEPROM中数据的安全性。在设计上就保证了，只有在知道密钥的情况才可更改存储器中的数据。由此产生一个很有用的附加功能，设计者可以利用此特性实现软特性控制：FPGA可以根据从受SHA-1保护的存储器中读出的数据来开启/关闭FPGA中的相应功能。
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# i- ~8 F7 F, v; N/ @& ~由OEM来对这类器件在分发到CM手上之前进行编程是不方便或不可行的。为了能较好的解决该问题，Maxim为OEM客户提供SHA-1密钥及EEPROM阵列的预编程服务。在这种服务下，Maxim的工厂按照客户的要求对这类器件进行注册和配置，然后Maxim直接把器件运到CM手里。这类服务的优势如下：

• OEM无需向CM泄漏SHA-1密钥。
• OEM无需执行系统预编程。
• 只有经过OEM授权第三方才可以访问登记的器件。
• Maxim保存发送单元的数量纪录，以备OEM查账之需。
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除了SHA-1本身所具有的安全特性，上述类型的身份识别认证的安全特性依赖于密钥，而该密钥不可能从安全存储器，也不可能从FPGA中读出。更进一步，该密钥不可能在FPGA进行配置时，利用窃听其配置数据流的手段而被发现。如同从一个可执行代码开始，尝试破解Windows®应用程序的C++源代码一样，通过数据流的反向工程(在该过程中会试图略去认证过程)来判断系统设计，将是一个十分艰巨的任务。
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另一个至关重要的安全因素是随机质询机制Q。一个可预测的质询机制(如一个常数)会引发一个可预测的响应结果，因为该结果可被记录，然后由一个微控制器来取代安全存储器。在这种可预测的情况下，微控制器可以让FPGA认为其是一个“友方”电路。而随机的质询机制消除了这种可能性。
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如果为每个器件绑定一个唯一密钥就可以进一步提高安全级别。唯一密钥由公共密钥(主密钥)、器件的唯一识别号和由应用所指定的常数计算得来。在这种条件下，如果有一个密钥被破解，则只会有一个器件受到影响，从而不破坏整个系统的安全性。为实现这种功能，FPGA需要知道主密钥，并在计算期望响应(E)之前计算存储器所用的密钥。
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