- IP保護(hù)的各種途徑

　　為了檢驗(yàn)MAC發(fā)送方的真實(shí)性，MAC接收方產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)字并將其作為質(zhì)詢發(fā)送到發(fā)送方。然后，MAC發(fā)送方必須根據(jù)密鑰、信息和接收方的質(zhì)詢計(jì)算新的MAC。隨后，發(fā)送方將計(jì)算結(jié)果返回給接收方。如果發(fā)送方被證實(shí)能夠計(jì)算任何質(zhì)詢碼的有效MAC，則可以確認(rèn)其已知密碼并被視為可靠。這個(gè)過程稱為質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證（參見圖1）。

　　用于計(jì)算MAC的算法有多種，例如Gost-Hash、HAS-160、HAVAL、MDC-2、MD2、MD4、MD5、RIPEMD、SHA系列、Tiger和WHIRLPOOL。經(jīng)過仔細(xì)審議并被國(guó)際認(rèn)可的一種單向散列算法是SHA-1，這種算法由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）開發(fā)。SHA-1已經(jīng)納入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 10118-3:2004。

　　通過NIST網(wǎng)站可以查詢SHA-1算法的數(shù)學(xué)依據(jù)2，SHA-1算法具有以下顯著特征：

　　不可逆：確定與MAC對(duì)應(yīng)的輸入在計(jì)算上是不可行的。

　　防沖突：不能找出多個(gè)可產(chǎn)生給定MAC的輸入消息。

　　高雪崩效應(yīng)：輸入的任何改變都將導(dǎo)致MAC結(jié)果的重大改變。

　　由于上述原因，以及國(guó)際上對(duì)該算法的認(rèn)定，SHA-1成為安全存儲(chǔ)器質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證的最佳選擇。

　　硬件實(shí)現(xiàn)

　　質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證方案可以作為基于SRAM的FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分實(shí)施，這種方式成本低廉（圖2）。該例中，安全存儲(chǔ)器件僅通過一個(gè)引腳連接到配置為雙向（開漏）通信的FPGA引腳。連接至VDD的電阻為安全存儲(chǔ)器供電并為漏極開路通信提供偏置。Maxim的DS28E01 1Kb保護(hù)型1-Wire EEPROM帶有SHA-1引擎，非常適合這種設(shè)計(jì)。該器件包含一個(gè)SHA-1引擎、128字節(jié)用戶存儲(chǔ)器、可用于芯片內(nèi)部操作但不能從外部讀取的密鑰以及唯一的、不可更改的識(shí)別碼。

　　圖2. 該簡(jiǎn)化框圖中，利用一片1-Wire安全存儲(chǔ)器保護(hù)FPGA。

　　DS28E01的1-Wire接口將通信通道減少至單個(gè)FPGA引腳，用于質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證。因?yàn)镕PGA的I/O引腳常常受限，這種安全方案對(duì)系統(tǒng)的影響最小。另一種可構(gòu)建的實(shí)施方案是利用FPGA實(shí)現(xiàn)通用I2C接口，通過DS28CN01 （等效于DS28E01的I2C器件）進(jìn)行認(rèn)證，或通過在小規(guī)模ASIC或CPLD中實(shí)現(xiàn)SHA-1引擎和其它功能。但是，如果安全保護(hù)是器件的唯一功能，使用ASIC會(huì)大大增加成本。

　　為了加強(qiáng)DS28E01的安全特性，F(xiàn)PGA必須能夠進(jìn)行以下操作：

　　產(chǎn)生質(zhì)詢隨機(jī)數(shù)（片上隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通常產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，不具備和真隨機(jī)數(shù)同等的安全性）。

　　已知用于內(nèi)部操作的安全密鑰，但不能從外部偵測(cè)。

　　計(jì)算包括密匙、隨機(jī)數(shù)及附加數(shù)據(jù)在內(nèi)的SHA-1 MAC，類似于安全存儲(chǔ)器。

　　逐字節(jié)比較數(shù)據(jù)，使用FPGA實(shí)現(xiàn)CPU的異或功能。

　　關(guān)于SHA-1 MAC計(jì)算的詳細(xì)信息，請(qǐng)查詢安全散列標(biāo)準(zhǔn)2。應(yīng)用筆記3675：“保護(hù)您的研發(fā)成果—雙向認(rèn)證及軟件功能保護(hù)”給出了安全存儲(chǔ)器架構(gòu)及其原理的技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　一些主要的FPGA供應(yīng)商提供類似于微控制器功能的宏。Xilinx?微控制器功能占用192個(gè)邏輯單元，這僅僅是一片Spartan?-3 XC3S50器件的11%。

　　工作原理

　　上電時(shí)，F(xiàn)PGA從其配置存儲(chǔ)器開始自行配置。當(dāng)前的FPGA微控制器功能生效并執(zhí)行質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證，也稱為敵我識(shí)別（IFF），這個(gè)識(shí)別過程包含以下步驟：

　　產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，將其作為質(zhì)詢（Q）發(fā)送至安全存儲(chǔ)器。

　　通知安全存儲(chǔ)器根據(jù)其密匙、質(zhì)詢、唯一識(shí)別碼及其它固定數(shù)據(jù)計(jì)算SHA-1 MAC。

　　根據(jù)相同輸入、安全存儲(chǔ)器使用的常數(shù)以及FPGA密鑰計(jì)算SHA-1 MAC，即所預(yù)期的響應(yīng)（MAC1）。

　　將安全存儲(chǔ)器計(jì)算的SHA-1 MAC （讀取認(rèn)證MAC）作為響應(yīng)（MAC2）與所預(yù)期的響應(yīng)（MAC1）進(jìn)行比較。

　　如果MAC1、MAC2一致，F(xiàn)PGA將其環(huán)境認(rèn)定為“朋友”，因?yàn)樗@然知道密鑰。FPGA轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ鳎せ?執(zhí)行所有配置編碼定義的功能。但是，如果兩個(gè)MAC不同，環(huán)境則必被認(rèn)定為“敵人”。這種情況下，F(xiàn)PGA執(zhí)行應(yīng)用相關(guān)的操作而不是正常工作。

　　為什么該過程是安全的

　　除了SHA-1提供的固有安全性以外，上述IFF認(rèn)證過程的主要安全單元是密鑰，安全存儲(chǔ)器或FPGA都不能對(duì)其進(jìn)行讀取。并且，因?yàn)楸忍亓髦械臄?shù)據(jù)雜亂無章，當(dāng)FPGA自我配置時(shí)，對(duì)配置流的竊聽不會(huì)泄露密鑰?？紤]到數(shù)據(jù)字節(jié)的尺寸，對(duì)比特流進(jìn)行逆向工程以推測(cè)設(shè)計(jì)架構(gòu)非常耗時(shí)，幾乎不可能完成該項(xiàng)任務(wù)。