《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新的SRAM工藝FPGA的保護(hù)方法
來源:微型機與應(yīng)用2012年第17期
董春國
(棗莊科技職業(yè)學(xué)院 電氣工程系,, 山東 棗莊 277500)
摘要: 針對SRAM工藝FPGA應(yīng)用中的安全問題,提出了一種采用雙重認(rèn)證(身份認(rèn)證和產(chǎn)權(quán)認(rèn)證)的保護(hù)方法,。不僅能夠使得非法者無法使用FPGA,,而且有效防止IP核被盜用。在FPGA外部添加安全芯片,,負(fù)責(zé)完成身份認(rèn)證,,確認(rèn)使用者的合法性;在IP核內(nèi)添加保護(hù)模塊,,與安全芯片交互完成產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,,確認(rèn)IP核的合法性。詳細(xì)介紹了雙重認(rèn)證方法的思想,、原理和實現(xiàn)過程,,并進(jìn)行了安全性分析。
Abstract:
Key words :

摘  要: 針對SRAM工藝FPGA應(yīng)用中的安全問題,,提出了一種采用雙重認(rèn)證(身份認(rèn)證和產(chǎn)權(quán)認(rèn)證)的保護(hù)方法,。不僅能夠使得非法者無法使用FPGA,而且有效防止IP核被盜用,。在FPGA外部添加安全芯片,,負(fù)責(zé)完成身份認(rèn)證,確認(rèn)使用者的合法性,;在IP核內(nèi)添加保護(hù)模塊,,與安全芯片交互完成產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,確認(rèn)IP核的合法性,。詳細(xì)介紹了雙重認(rèn)證方法的思想,、原理和實現(xiàn)過程,并進(jìn)行了安全性分析,。
關(guān)鍵詞: FPGA,; IP核; 保護(hù),; 雙重認(rèn)證

    在電子產(chǎn)品設(shè)計中,,F(xiàn)PGA由于靈活方便、性能突出等優(yōu)點,,得到了越來越廣泛的應(yīng)用,。目前,市場占有率最高的兩大公司Xilinx和Altera生產(chǎn)的FPGA大都是基于SRAM工藝的,,而SRAM工藝FPGA由于自身的特點,,存在諸多安全問題[1]。因此,,實際應(yīng)用中需要采取一定的保護(hù)手段,,確保SRAM工藝FPGA的安全應(yīng)用,。
1 SRAM工藝FPGA的安全問題
    SRAM工藝FPGA具有掉電易失性,在實際的應(yīng)用中需要外部存儲器來存儲其配置信息。因此,,SRAM工藝的FPGA具有可反復(fù)使用,、升級方便、配置電路簡單等優(yōu)點,。然而,,由于FPGA的配置電路及時序是公開的,在FPGA加載配置信息的過程中,不法者可以通過偵測FPGA配置管腳,,截取配置信息來配置其他FPGA,。而配置信息是設(shè)計者IP核的具體表現(xiàn)形式,這樣,,IP核被非法復(fù)制,,使設(shè)計者的產(chǎn)權(quán)受到破壞。
    針對該問題,,參考文獻(xiàn)[2]提出一種結(jié)合EDA軟件和FPGA的方法,有效防止IP核被非法復(fù)制,;參考文獻(xiàn)[3]在IP核中添加保護(hù)模塊,通過保護(hù)模塊和外部驗證設(shè)備通信認(rèn)證來確認(rèn)IP核的合法性,。以上文獻(xiàn)從不同方面對IP核的防復(fù)制進(jìn)行了研究[4],但都未對使用FPGA的用戶進(jìn)行身份認(rèn)證,。由于FPGA通常作為電子系統(tǒng)的核心或關(guān)鍵模塊,,為合法用戶提供一定的服務(wù),,因此,實際應(yīng)用中需對使用FPGA的用戶進(jìn)行身份認(rèn)證。本文對此提出一種采用雙重認(rèn)證(身份認(rèn)證,、產(chǎn)權(quán)認(rèn)證)的保護(hù)方法,以滿足SRAM工藝FPGA防止非法用戶使用及IP核防復(fù)制的雙重需求,。
2 雙重認(rèn)證方法的設(shè)計
2.1 雙重認(rèn)證方法的思想及模型  

  由于FPGA芯片供應(yīng)商對配置數(shù)據(jù)流的定義是不公開的,所以無法通過配置數(shù)據(jù)流推測內(nèi)部電路,。因此需要在IP核中添加保護(hù)模塊,,使得配置成功后FPGA先不工作,只有在身份認(rèn)證,、產(chǎn)權(quán)認(rèn)證成功后,,F(xiàn)PGA才正常工作。雙重認(rèn)證方法既認(rèn)證使用者的合法性,,又認(rèn)證IP核的合法性,,確保SRAM工藝FPGA的安全應(yīng)用。
    本設(shè)計需要在IP核中嵌入保護(hù)模塊,,同時在FPGA外添加安全芯片,。系統(tǒng)上電后,從配置器件加載IP核到FPGA,,IP核中的工作電路暫時不能工作,,只有當(dāng)產(chǎn)權(quán)認(rèn)證成功,,保護(hù)模塊發(fā)出使能信號,IP核中工作電路才開始工作,。產(chǎn)權(quán)認(rèn)證由IP核中保護(hù)模塊和外部的安全管理芯片交互實現(xiàn),,而身份認(rèn)證則由安全管理芯片完成。雙重認(rèn)證方法模型如圖1所示,,主要包括FPGA,、FPGA配置器件、安全芯片等,。

    本設(shè)計中,,對FPGA及其配置器件無特殊要求,選用通用器件即可,,這里選用的分別是Altera公司的EP2C20F256C8EPCS1,。
    安全芯片既要實現(xiàn)身份認(rèn)證,又要通過與IP核中保護(hù)模塊的交互實現(xiàn)產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,對安全性及其他性能都有較高的要求,。本設(shè)計選用Z32芯片作為安全芯片,。
2.2 雙重認(rèn)證方法的工作流程
    本設(shè)計采用雙重認(rèn)證機制保護(hù)FPGA的安全應(yīng)用,其工作流程如圖2所示,。系統(tǒng)上電后,,從存儲器件加載IP核到FPGA中,首先進(jìn)行用戶身份認(rèn)證,,身份認(rèn)證成功后進(jìn)行產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,。只有當(dāng)身份認(rèn)證和產(chǎn)權(quán)認(rèn)證全部成功后,F(xiàn)PGA才開始正常工作,。兩次認(rèn)證中任意一次失敗,,就會啟動錯誤計數(shù)器,當(dāng)計數(shù)達(dá)到設(shè)定的值后,,系統(tǒng)就會銷毀存儲的秘密信息,,使得系統(tǒng)失效。
    從圖2可以看出,,產(chǎn)權(quán)認(rèn)證受身份認(rèn)證保護(hù),,即只有身份認(rèn)證通過,才能進(jìn)行產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,。不法者即使獲得IP核配置信息,,由于不能通過身份認(rèn)證, 也無法使FPGA正常工作,;合法使用者如果復(fù)制IP核的配置信息來配置其他FPGA,,由于不能通過產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,也無法使FPGA正常工作。因此,,雙重認(rèn)證方法有效地滿足了SRAM工藝FPGA的安全應(yīng)用需求,。

3 關(guān)鍵模塊的設(shè)計及實現(xiàn)
    首先對以下兩個符號進(jìn)行說明:
    (1) Kp:口令密鑰,在身份認(rèn)證成功后由口令,、口令哈希值等分量合成,,主要用于對密文存在的認(rèn)證密鑰Ka解密。
    (2) Ka:認(rèn)證密鑰,,受口令密鑰Kp保護(hù),,身份認(rèn)證成功前以密文形式存在,是產(chǎn)權(quán)認(rèn)證過程中AES算法的密鑰,。
3.1 身份認(rèn)證模塊
    身份認(rèn)證主要由Z32安全芯片來完成,。本設(shè)計在Z32的固件程序中,實現(xiàn)AES算法和SHA-256算法,。在芯片的Flash中開辟安全存儲區(qū),,只有固件控制程序可以對該安全存儲區(qū)操作,外部程序無訪問權(quán)限,。為了提高身份認(rèn)證的安全性,,本設(shè)計采用口令方式進(jìn)行身份認(rèn)證,安全存儲區(qū)中不存儲口令的明文,,僅存儲正確口令的哈希值及認(rèn)證密鑰Ka的密文,。
    身份認(rèn)證原理如圖3所示。本設(shè)計采用了密鑰分級保護(hù)的思想,,通過口令密鑰Kp來保護(hù)認(rèn)證密鑰Ka,。只有用戶口令正確,系統(tǒng)才能計算出口令密鑰Kp,,然后調(diào)用AES算法將認(rèn)證密鑰Ka解密;若口令不正確,,則即使將系統(tǒng)暴力拆解,直接讀取芯片的存儲區(qū),,也只能獲得Ka的密文,而無法獲得Ka的值,。

    身份認(rèn)證的具體過程為:
    (1) 接收用戶輸入的口令,。
    (2) 將用戶輸入的口令用SHA-256算法處理,其結(jié)果與安全存儲區(qū)中正確口令的哈希值(256 bit)進(jìn)行比對,。若比對結(jié)果一致,,則跳過步驟(3),否則執(zhí)行步驟(3),。
    (3) 重新執(zhí)行步驟(1),,同時啟動錯誤計數(shù)器,錯誤值加1。當(dāng)計數(shù)到設(shè)定值,,則銷毀安全存儲區(qū)中的數(shù)據(jù),,系統(tǒng)被鎖死。
    (4) 將口令與哈希值的低128 bit按位異或,,得口令密鑰Kp,。若口令值不足128 bit,則將口令高位補為0,補足128 bit,;若口令多于128 bit,,則僅取其低128 bit。
    (5) 調(diào)用AES算法,,用步驟(4)得到的口令密鑰Kp將密文存儲的Ka解密,,得認(rèn)證密鑰Ka。解密后的Ka也存儲在安全Flash區(qū)中,。同時,,Z32芯片將生成的口令密鑰Kp清零。
    (6) 身份認(rèn)證成功,,向IP核保護(hù)模塊發(fā)出產(chǎn)權(quán)認(rèn)證開始信號,,等待其響應(yīng)。
    若身份認(rèn)證成功后,,用戶輸入修改登錄口令的命令,,則首先用原口令密鑰Kp將認(rèn)證密鑰Ka解密,然后計算出新口令的哈希值及新的口令密鑰Kp,,調(diào)用AES算法將認(rèn)證密鑰Ka用新的口令密鑰加密,,最后將安全存儲區(qū)中數(shù)據(jù)用新口令的哈希值和Ka新的密文替換。在這里需要注意的是認(rèn)證密鑰Ka的值并未變化,,改變的僅為存儲區(qū)中Ka的密文,。
3.2 產(chǎn)權(quán)認(rèn)證模塊
    產(chǎn)權(quán)認(rèn)證由Z32芯片和IP核中的保護(hù)模塊共同完成,產(chǎn)權(quán)認(rèn)證原理如圖4所示,,虛線為控制信號,,實線為數(shù)據(jù)流。IP核保護(hù)模塊由偽隨機數(shù)發(fā)生器,、AES加/解密器,、比對模塊、比對結(jié)果處理模塊,、寄存器等組成,。當(dāng)用戶通過身份認(rèn)證后,Z32芯片將安全存儲區(qū)中加密存儲的認(rèn)證密鑰Ka解密,,然后通知FPGA,,F(xiàn)PGA響應(yīng)該信號,即產(chǎn)權(quán)認(rèn)證開始。

 

 

    產(chǎn)權(quán)認(rèn)證的具體過程為:
    (1) Z32芯片向FPGA發(fā)出產(chǎn)權(quán)認(rèn)證開始信號,。
    (2) IP核保護(hù)模塊響應(yīng)產(chǎn)權(quán)認(rèn)證開始信號,,偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個偽隨機序列。
    (3) 偽隨機序列分成兩路:一路存儲在保護(hù)模塊的寄存器中,;另一路用AES算法加密(其中加密密鑰為Ka),,然后把密文傳給Z32芯片。
    (4) Z32芯片接收到密文后,,利用身份認(rèn)證過程中解密所得的認(rèn)證密鑰Ka,,將所接收到的密文解密,然后將結(jié)果回傳給FPGA認(rèn)證模塊,。
    (5) IP核保護(hù)模塊接收到Z32傳回的序列,將其與步驟(1)中產(chǎn)生的序列值比對,。若比對結(jié)果一致,則發(fā)出使能信號,,IP核中工作電路開始工作;若不一致,,則比對模塊向Z32控制器傳回比對錯誤信號,重新執(zhí)行步驟(1),同時Z32芯片啟動錯誤計數(shù)器,,錯誤值加1,,當(dāng)計數(shù)到設(shè)定值,則銷毀Z32安全存儲區(qū)中的信息,,系統(tǒng)被鎖死,。
4 安全性分析
    本設(shè)計中,IP核工作電路只有在產(chǎn)權(quán)認(rèn)證成功后才能工作,,由于產(chǎn)權(quán)認(rèn)證采用了挑戰(zhàn)應(yīng)答方式,,每次產(chǎn)生的隨機序列不同,非法者使用重放攻擊不能通過產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,。由于對偽隨機序列采用的是AES加密,,在不知道密鑰的情況下很難破解,安全可靠性高[5],。因此,,產(chǎn)權(quán)認(rèn)證的安全性取決于認(rèn)證密鑰Ka的安全性。
    認(rèn)證密鑰Ka存在于FPGA的配置數(shù)據(jù)流和安全芯片中,。因為 FPGA芯片供應(yīng)商對配置數(shù)據(jù)流的定義是不公開的,,所以無法獲得配置數(shù)據(jù)流中的認(rèn)證密鑰Ka。而若想破解安全芯片而獲得認(rèn)證密鑰Ka也是不現(xiàn)實的,,因為Ka受口令密鑰Kp保護(hù),只有用戶輸入正確的口令,才能利用口令,、口令哈希值計算出口令密鑰Kp,,才能將Ka解密。非法用戶沒有正確的口令,不能計算出口令密鑰Kp,,無法使FPGA正常工作,,這樣便達(dá)到了防止非法用戶使用FPGA的目的;合法用戶通過身份認(rèn)證后能夠?qū)a解密,,但只有固件程序能夠?qū)a操作,,用戶也無法獲得Ka的具體值,即使拷貝IP核配置信息來配置其他FPGA,,由于不知道Ka的具體值,,無法通過產(chǎn)權(quán)認(rèn)證,復(fù)制的IP核也不能工作,,實現(xiàn)了對設(shè)計者產(chǎn)權(quán)的保護(hù),。
    本文設(shè)計的保護(hù)方法采用了身份認(rèn)證、產(chǎn)權(quán)認(rèn)證兩重認(rèn)證機制,,體現(xiàn)了分級保護(hù)的思想,。雖然消耗了一部分硬件資源,但有效地保證了SRAM工藝FPGA的安全應(yīng)用,,達(dá)到了非法用戶不能使用FPGA,、合法用戶不能侵犯設(shè)計者產(chǎn)權(quán)的目的。本設(shè)計安全性高,、通用性強,,具有廣泛的應(yīng)用前景。
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