芯片工作流程分析 - 專用SOC安全控制架構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

　　2 芯片工作流程分析

　　專用SoC芯片在其整個(gè)生命周期中，總處于某種特定的安全狀態(tài)。基于芯片運(yùn)行時(shí)的安全策略，結(jié)合狀態(tài)位與控制參數(shù)設(shè)置，專用SoC芯片的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程如圖1所示。

　　圖1 芯片狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖

　　在上圖中，S．n表示STATE的第n位，S’．n表示STATE’的第n位（位于LEVEL1中），0．n表示0TP的第n位。高電平表示對(duì)應(yīng)條件成立，低電平表示對(duì)應(yīng)條件不成立。

　　2．1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移約束條件

　　專用SoC芯片按照其工作流程共有16種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑，限于篇幅在此只介紹其中的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑。為簡(jiǎn)化書寫記A=TDESENC（KEY_TDES，DATA_T），B=RSAENC（PUB EK，DATA R）。

　　當(dāng)專用SoC芯片從ST3狀態(tài)通過ST6狀態(tài)轉(zhuǎn)移到ST9狀態(tài)時(shí)，應(yīng)滿足如下約束條件：

　　在正常啟動(dòng)時(shí)，芯片系統(tǒng)由ST3經(jīng)過上電白檢，完成對(duì)1層代碼與數(shù)據(jù)、2層代碼與數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證。置位STATE．6，通過層次跳轉(zhuǎn)命令，進(jìn)入ST6，進(jìn)而在ST6下，通過判斷STATE’．6是否有效，決定可否進(jìn)入ST9。在ST6下，也可通過功能調(diào)用命令進(jìn)入ST9，執(zhí)行部分2層代碼的功能，并在執(zhí)行完成后，正確返回到ST6。

　　2．2 專用SoC芯片的工作流程

　?、僭陂_發(fā)商初次獲得芯片后，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)ST1。加電后，系統(tǒng)首先對(duì)自身O層代碼和數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，調(diào)用各功能模塊IP核進(jìn)行自檢，若白檢正確，則芯片可繼續(xù)完成傳輸過程安全認(rèn)證命令的接收與執(zhí)行，否則置位OTP．4，芯片系統(tǒng)進(jìn)入鎖死狀態(tài)，不提供任何功能服務(wù)。

　　②當(dāng)OTP．1=0時(shí)，芯片系統(tǒng)僅允許傳輸過程安全認(rèn)證命令的輸入與執(zhí)行。開發(fā)商通過傳輸安全認(rèn)證命令，在允許的認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)芯片的真實(shí)性進(jìn)行認(rèn)證。若認(rèn)證正確，芯片由初始狀態(tài)ST1轉(zhuǎn)移至使能狀態(tài)ST2，并置位芯片使能標(biāo)識(shí)OTP．1，等待用戶創(chuàng)建命令的輸入。若芯片真實(shí)性認(rèn)證錯(cuò)誤，芯片系統(tǒng)保持在初始狀態(tài)。當(dāng)認(rèn)證次數(shù)超出允許次數(shù)時(shí)，OTP．6被置位，芯片被鎖死。

　　③當(dāng)OTP．1=1時(shí)，芯片系統(tǒng)僅允許用戶創(chuàng)建命令的輸入與執(zhí)行。初次啟動(dòng)時(shí)，開發(fā)商通過用戶創(chuàng)建命令，完成AIK與USER_AUTH的創(chuàng)建。用戶創(chuàng)建完成后，置位OTP．O與STATE．2，進(jìn)入芯片激活狀態(tài)ST3。在允許的認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)，若用戶創(chuàng)建失敗，芯片保持在ST2。當(dāng) STAT-E.1=1 時(shí)，開發(fā)商可以通過用戶創(chuàng)建命令，更新AIK和USER_AUTH，完成用戶身份的重建。當(dāng)認(rèn)證次數(shù)超出允許范圍時(shí)，0TP．5被置位，芯片被鎖死。

　　④當(dāng)OTP．O=1時(shí)，開發(fā)商可以獲得低層代碼和系統(tǒng)資源所提供的服務(wù)功能，如SHA1雜湊值計(jì)算、對(duì)稱數(shù)據(jù)加解密、RSA數(shù)據(jù)簽名與認(rèn)證、以及隨機(jī)數(shù)生成等一系列密碼服務(wù)功能等。當(dāng)需要對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行1層代碼下載時(shí)，用戶輸入代碼下載命令，芯片系統(tǒng)首先驗(yàn)證下載命令發(fā)起者身份，若身份驗(yàn)證正確，置位 STATE．7，進(jìn)入ST4。

　　⑤當(dāng)STATE．7=1時(shí)，芯片在下載控制程序控制下，將1層代碼下載到對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器COS區(qū)。系統(tǒng)調(diào)用SHA1模塊度量下載代碼的完整性，存儲(chǔ)于 LELVE0存儲(chǔ)器的PCR2中，并與輸入的完整性信息進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。若完整性驗(yàn)證通過，置位STATE．6，并復(fù)位STATE．7，進(jìn)入ST5，否則返回ST3。此外，因突發(fā)因素導(dǎo)致下載過程中斷，也會(huì)使芯片系統(tǒng)返回ST3。在系統(tǒng)返回ST3時(shí)，復(fù)位STATE．7。

　　⑥當(dāng)STATE．6=1時(shí)，通過層次跳轉(zhuǎn)命令，芯片系統(tǒng)進(jìn)入ST6，用戶可以獲得1層代碼的相應(yīng)功能。由ST6返回到ST3只有斷電或者系統(tǒng)復(fù)位兩種方式。

　　⑦在1層代碼運(yùn)行狀態(tài)下，若需要進(jìn)行2層代碼下載，則用戶輸入符合1層代碼編碼格式的代碼下載命令。1層代碼驗(yàn)證下載命令發(fā)起者身份，驗(yàn)證通過后，置位STATE’．7，進(jìn)入ST7。若不需要代碼下載，則在ST6運(yùn)行。

　?、嗤瓿?層代碼下載過程同⑤，對(duì)2層代碼進(jìn)行完整性度量與驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過，置位STATE’．6，進(jìn)入ST8，否則返回ST6。

　?、嵬ㄟ^層次跳轉(zhuǎn)命令或功能調(diào)用命令，芯片系統(tǒng)可進(jìn)入ST9，獲得2層代碼相應(yīng)功能。當(dāng)采用層次跳轉(zhuǎn)命令進(jìn)入ST9時(shí)，芯片系統(tǒng)保持在ST9狀態(tài)，僅能夠通過系統(tǒng)復(fù)位，返回ST3。當(dāng)采用功能調(diào)用命令進(jìn)入ST9時(shí)，只能執(zhí)行2層代碼中部分功能且執(zhí)行完畢后，將返回到ST6狀態(tài)。

　　3 專用SoC芯片安全性分析

　　3．1 攻擊防護(hù)分析

　　在芯片的硬件安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，篡改響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)榷ü裟Ｐ椭械奈锢砉暨M(jìn)行安全防護(hù)；結(jié)合安全邏輯模塊中的越界檢測(cè)部件，信息交互機(jī)制能夠防止攻擊者對(duì)芯片的緩沖區(qū)溢出攻擊；此外，信息交互機(jī)制還能夠?qū)φZ義攻擊、字典攻擊以及重放攻擊進(jìn)行防護(hù)；芯片系統(tǒng)的單向分級(jí)啟動(dòng)模式、以及代碼下載時(shí)的身份認(rèn)證，各安全級(jí)別之間的“防火墻”設(shè)計(jì)，使得芯片系統(tǒng)能夠抵抗惡意代碼的攻擊。

　　3．2 工作過程安全性分析

　?、俅a的可信性：首先，由于制造商被無條件信任，芯片在出廠初始狀態(tài)真實(shí)可信，因而內(nèi)嵌代碼是可信的。在經(jīng)過傳輸過程被開發(fā)商獲得后，芯片的使用需要通過對(duì)芯片的傳輸過程進(jìn)行驗(yàn)證，在驗(yàn)證正確后，芯片的來源被確認(rèn)，此時(shí)，內(nèi)嵌代碼保持了其可信性。以內(nèi)嵌代碼為可信基，在對(duì)1層代碼與2層代碼進(jìn)行下載時(shí)，均需要認(rèn)證下載命令發(fā)起者的身份。因而，下載的1層代碼與2層代碼均能夠保證其來源真實(shí)性。

　?、诖a的完整性：在信賴制造商前提下，內(nèi)嵌代碼可作為整個(gè)芯片系統(tǒng)的可信基?；谶@一信任基礎(chǔ)，通過啟動(dòng)過程中對(duì)內(nèi)嵌代碼、芯片操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序的完整性驗(yàn)證，使得芯片系統(tǒng)僅在代碼完整性正確情況下，才能夠正常運(yùn)行，從而保證了代碼的完整性。

　　③數(shù)據(jù)可信性：由于LEVEL0的數(shù)據(jù)僅能夠由制造商與Q層代碼操作，傳輸安全機(jī)制保證了芯片的可信性，從而可知LEVEL0的數(shù)據(jù)是可信的。1層與2層敏感數(shù)據(jù)與運(yùn)行臨時(shí)數(shù)據(jù)的可信性由本層的代碼可信性保證。當(dāng)本層代碼可信時(shí)，數(shù)據(jù)的來源被認(rèn)為是可信的。

　?、軘?shù)據(jù)完整性：由完整性認(rèn)證機(jī)制可知，其被認(rèn)證數(shù)據(jù)對(duì)象在每次合法改變時(shí)，均將及時(shí)修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)信息，且每次啟動(dòng)時(shí)，均需進(jìn)行完整性認(rèn)證，因而數(shù)據(jù)完整性可得到保證。

　　⑤功能部件的正確性：功能部件的正確性通過芯片系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)的功能自檢，以及根據(jù)應(yīng)用需要每次調(diào)用功能部件執(zhí)行相應(yīng)檢測(cè)功能來保證。

　　結(jié)語

　　提供密碼服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的專用SoC芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，在芯片功能正確的前提下，確保芯片內(nèi)部敏感信息的機(jī)密性與完整性，以及運(yùn)行狀態(tài)的可信性。本文為專用SoC的安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可供參考的模型，也為進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)完整性度量和可信應(yīng)用服務(wù)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。