保護(hù)您的研發(fā)成果—雙向認(rèn)證及軟件功能保護(hù)

摘要：在冒名頂替、偽造證件行為猖獗的年代，保證正確的身份識(shí)別至關(guān)重要。這不僅對(duì)個(gè)人如此，對(duì)電子產(chǎn)品也是如此。系統(tǒng)供應(yīng)商需要在外有黑客攻擊這樣的“外患”，內(nèi)有克隆硬件這樣的“內(nèi)憂”的環(huán)境中保護(hù)其產(chǎn)品的安全性。實(shí)現(xiàn)這些安全需求的關(guān)鍵是認(rèn)證。

本文解釋了認(rèn)證的概念，以及Maxim以安全存儲(chǔ)器形式提供加密控制和保護(hù)的方案，非常適合需要知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、HW/SW許可權(quán)管理、安全軟件功能與狀態(tài)設(shè)置、防篡改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等應(yīng)用。

什么是認(rèn)證?

認(rèn)證是指兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體之間建立身份認(rèn)可的過(guò)程。單向認(rèn)證情況下，一方需向另一方證明其身份的合法性。對(duì)于雙向認(rèn)證，雙方需要彼此向?qū)Ψ阶C明自己的身份。最常用的認(rèn)證方法是利用口令實(shí)現(xiàn)。使用口令的主要問(wèn)題是應(yīng)用中口令是暴露的，極易被探測(cè)。

我們先來(lái)回顧一下加密的歷史應(yīng)用，1883年弗蘭德斯語(yǔ)言學(xué)家Auguste Kerckhoffs發(fā)表了一篇關(guān)于軍事加密的文章，震驚了整個(gè)世界。Kerckhoffs講道，安全不應(yīng)依靠隱匿性(例如非公開(kāi)的保密算法)，而應(yīng)依靠算法及其密鑰的力量。如果安全受到破壞，Kerckhoffs認(rèn)為，只需替換密鑰，而不是替換整個(gè)系統(tǒng)。

基于密鑰的認(rèn)證過(guò)程如圖1所示：密鑰(私密)和需要認(rèn)證的數(shù)據(jù)(“信息”)作為輸入，來(lái)計(jì)算信息認(rèn)證碼，即MAC。MAC然后附加到信息上。信息接收方進(jìn)行相同的運(yùn)算，將MAC計(jì)算結(jié)果與隨信息一起收到的MAC比較。如果二者相同，則信息是合法的。


圖1. 該MAC計(jì)算模型

但是，這種基本MAC計(jì)算模型也有一個(gè)弱點(diǎn)。非法者如果截取到信息，可隨后回放此信息，以仿冒合法身份。為克服這種固有的MAC弱點(diǎn)和證明MAC發(fā)送方的合法身份，接收方可產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，作為質(zhì)詢碼回送給發(fā)送方。MAC發(fā)送方必須根據(jù)密鑰、信息和質(zhì)詢碼重新計(jì)算新的MAC，并返回給接收方。如果對(duì)應(yīng)任何質(zhì)詢碼發(fā)送方都可產(chǎn)生有效的MAC，則可以確信發(fā)送方是知道密鑰的，其身份是合法的(圖2)。該過(guò)程就是質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證。


圖2. 質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證過(guò)程

在加密學(xué)中，由信息產(chǎn)生固定長(zhǎng)度MAC的算法稱為“單向”散列函數(shù)。單向表示從固定長(zhǎng)度MAC輸出推演出較長(zhǎng)的原始信息極為困難。相反，通過(guò)加密，加密的信息與原始信息是成正比的。

SHA-1是經(jīng)過(guò)深入研究和國(guó)際認(rèn)可的單向散列算法，由National Institute of Standards and Technology (NIST)開(kāi)發(fā)。SHA-1已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 10118-3:2004，算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是公開(kāi)的，并可從NIST網(wǎng)站獲取。SHA-1算法的主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：1) 不可逆性—從計(jì)算角度講，不可能從MAC推演出輸入信息；2) 抗沖突性—對(duì)于特定MAC，找到多于一種輸入信息是不現(xiàn)實(shí)的；3) 高雪崩效應(yīng)―輸入的任何變化都會(huì)使MAC結(jié)果產(chǎn)生巨大的變化?；谶@些原因以及對(duì)該算法的國(guó)際性研究，Maxim選擇SHA-1作為其安全存儲(chǔ)器的質(zhì)詢－響應(yīng)認(rèn)證算法。

低成本安全認(rèn)證—功能實(shí)現(xiàn)
DS2432 EEPROM內(nèi)置SHA-1引擎，借助1-Wire接口，可以方便地加入到任何帶有數(shù)字處理能力的電路中，例如帶微控制器(μC)的電路。最簡(jiǎn)單的情況下，僅僅需要一個(gè)空閑I/O引腳以及一個(gè)上拉電阻即可構(gòu)成1-Wire接口，如圖3所示。如果板上的計(jì)算能力或者剩余的程序存儲(chǔ)空間不足以完成SHA-1 MAC計(jì)算，設(shè)計(jì)者可以采用DS2460 SHA-1協(xié)處理器，或?qū)⒂?jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)交給系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中最近的主機(jī)。協(xié)處理器還有另一個(gè)好處，可將系統(tǒng)密鑰存放在安全存儲(chǔ)器中，而不必存放在程序代碼內(nèi)。


圖3. 典型系統(tǒng)環(huán)境

嵌入式硬件/軟件授權(quán)管理
參考設(shè)計(jì)需要授權(quán)，并可能由第三方進(jìn)行生產(chǎn)，需要防范非法使用程序代碼?？紤]到收入原因，還有必要跟蹤和確認(rèn)參考設(shè)計(jì)的使用次數(shù)。DS2432經(jīng)過(guò)預(yù)先編程(在供給第三方制造商之前先裝入密鑰和存儲(chǔ)器設(shè)定值)，可以輕松地滿足這些需求和提供更多功能。上電自檢時(shí)，參考設(shè)計(jì)(圖4)通過(guò)DS2432執(zhí)行認(rèn)證過(guò)程。只有具備有效密鑰的DS2432才能成功地返回有效MAC。如果檢測(cè)到無(wú)效MAC，處理器將采取相應(yīng)的特定操作。這種方法還帶來(lái)另外一個(gè)好處，即可以通過(guò)DS2432安全存儲(chǔ)器的設(shè)定值有選擇地授權(quán)和使能參考設(shè)計(jì)的功能。(有關(guān)此概念的更多信息，見(jiàn)軟件功能管理一節(jié)。)

具有64位有效密鑰的DS2432可通過(guò)以下兩種安全方法提供給被授權(quán)者或第三方制造商：a) 由參考設(shè)計(jì)授權(quán)公司預(yù)先編程；或b) 由Maxim根據(jù)授權(quán)公司的輸入信息預(yù)先編程并供貨給第三方制造商。無(wú)論采用何種方法，供給被授權(quán)者或制造商的器件數(shù)量都是已知的，可據(jù)此收取授權(quán)許可費(fèi)用。


圖4. 認(rèn)證參考設(shè)計(jì)

驗(yàn)證硬件的合法性
驗(yàn)證硬件的合法性時(shí)，需要考慮兩種情況(圖5)：1) 克隆電路板完全拷貝固件/FPGA配置信息；以及2) 克隆系統(tǒng)主機(jī)。


圖5. 硬件認(rèn)證實(shí)例

第一種情況下，固件/FPGA試圖認(rèn)證克隆的電路板。克隆制造商要向用戶EEPROM寫(xiě)入數(shù)據(jù)，必須向DS2432裝入密鑰。盡管這使數(shù)據(jù)看似正確，而密鑰在系統(tǒng)中卻是無(wú)效的。由于改動(dòng)固件/FPGA極為復(fù)雜，為保持和主機(jī)兼容，必須精確拷貝原始固件/配置信息。如果在上電階段電路板執(zhí)行DS2432質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證過(guò)程，則DS2432產(chǎn)生的MAC與微控制器/FPGA計(jì)算出的MAC不同。MAC不匹配充分證明電路板是不合法的。系統(tǒng)與電路板之間執(zhí)行質(zhì)詢/響應(yīng)過(guò)程可以檢測(cè)到該失配現(xiàn)象，并據(jù)此采取相應(yīng)的特定操作。

第二種情況下，電路板試圖認(rèn)證主機(jī)系統(tǒng)。電路板通過(guò)以下步驟驗(yàn)證主機(jī)的身份：1) 產(chǎn)生質(zhì)詢碼，由DS2432計(jì)算質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證碼MAC；2) 向網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送計(jì)算MAC的相同輸入數(shù)據(jù)(當(dāng)然不包括密鑰)，主機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自己掌握的密鑰計(jì)算并返回質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證碼MAC。如果二者產(chǎn)生的MAC相同，則電路板斷定主機(jī)是合法的。當(dāng)然，如果DS2432和網(wǎng)絡(luò)主機(jī)有約定的話，也能獲得相同的MAC。

軟件功能管理
電子產(chǎn)品涵蓋手持式產(chǎn)品到安裝于機(jī)架上的單元。單元的尺寸越大，開(kāi)發(fā)的成本越昂貴。為使成本得到有效控制，利用一些較小的子系統(tǒng)(電路板)來(lái)構(gòu)建大型系統(tǒng)是非常有益的。通常，應(yīng)用中并不需要子系統(tǒng)的所有功能。最具成本效益的作法不是去除這些功能，而是保持電路板不變，僅在控制軟件中禁用某些功能。但這種方法又會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題：如果聰明的客戶需要一些功能完備的系統(tǒng)，他可以只購(gòu)買一套功能完備的單元和一些功能較少的單元。通過(guò)軟件拷貝，功能較少的單元就可以提供完備的功能，而價(jià)格卻更低，因此欺騙了系統(tǒng)供應(yīng)商。

每個(gè)子系統(tǒng)電路板上的DS2432可以保護(hù)系統(tǒng)供應(yīng)商免受這類欺騙。除了進(jìn)行質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證外，DS2432還可以在其用戶EEPROM內(nèi)存儲(chǔ)獨(dú)立的配置信息。配置數(shù)據(jù)可防止非法篡改，系統(tǒng)供應(yīng)商具有完全的控制權(quán)，這一點(diǎn)將在數(shù)據(jù)安全一節(jié)進(jìn)一步闡述。配置信息可以存儲(chǔ)為位圖形式或代碼字形式，完全由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者決定。根據(jù)實(shí)際需要，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單地設(shè)置配置信息。由于DS2432提供方便的1-Wire接口，設(shè)計(jì)者只需增加一個(gè)晶體管和一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，如圖6所示?？梢栽陔娐钒迤渌糠植簧想姷那闆r下，通過(guò)探測(cè)點(diǎn)向DS2432寫(xiě)入配置信息。MOSFET將DS2432與其它電路隔離，當(dāng)子系統(tǒng)正常工作時(shí)，也不會(huì)妨礙DS2432的正常訪問(wèn)。


圖6. 增加配置探測(cè)點(diǎn)

該配置寫(xiě)入方法還帶來(lái)另一個(gè)好處，系統(tǒng)在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后，允許進(jìn)行遠(yuǎn)程更新/更改。任何未用于配置/功能管理的用戶EEPROM均可采用電子標(biāo)牌的形式實(shí)現(xiàn)電路板標(biāo)識(shí)功能。該功能在應(yīng)用筆記178：利用1-Wire產(chǎn)品標(biāo)識(shí)印刷電路板中進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，此應(yīng)用筆記178可從Maxim網(wǎng)站下載。

DS2432認(rèn)證功能詳細(xì)說(shuō)明

器件總體架構(gòu)
DS2432 1-Wire接口、1kb SHA-1安全存儲(chǔ)器的主要數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)流路徑如圖7所示?？梢钥吹?字節(jié)密鑰和臨時(shí)存儲(chǔ)質(zhì)詢碼的緩沖存儲(chǔ)器(暫存器)。前面未曾提及的數(shù)據(jù)單元包括獨(dú)一無(wú)二的器件ID號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)1-Wire特性)、四個(gè)用戶EEPROM頁(yè)面、控制寄存器和系統(tǒng)常數(shù)。

器件ID用作1-Wire網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址，同時(shí)還用于認(rèn)證過(guò)程。用戶存儲(chǔ)器存放待認(rèn)證“信息”的主要部分。系統(tǒng)常數(shù)有助于滿足格式需求和完成填充功能，從而構(gòu)成SHA-1計(jì)算的64字節(jié)輸入數(shù)據(jù)塊。控制寄存器執(zhí)行特定的器件功能，例如可選的密鑰寫(xiě)保護(hù)或EEPROM仿真模式；控制寄存器通常不參與認(rèn)證過(guò)程。


圖7. DS2432 SHA-1安全存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)流模型

可毫無(wú)限制地讀取器件ID號(hào)和用戶EEPROM。并可完全讀/寫(xiě)訪問(wèn)緩沖存儲(chǔ)器?？梢灾苯友b入密鑰，但永遠(yuǎn)不能讀取它。改變用戶存儲(chǔ)器或寄存器的內(nèi)容要求主機(jī)和從機(jī)(即DS2432)計(jì)算出相同的寫(xiě)操作認(rèn)證MAC，才可以打開(kāi)緩沖存儲(chǔ)器至EEPROM的路徑。

取決于MAC結(jié)果的不同用途，DS2432 SHA-1引擎具有三種不同的工作方式。任何情況下，SHA-1引擎均接收64字節(jié)輸入數(shù)據(jù)，并計(jì)算出20字節(jié)MAC結(jié)果。不同之處在于輸入數(shù)據(jù)。作為安全系統(tǒng)的根本需求，主機(jī)必須要么知道、要么能夠計(jì)算出應(yīng)用中有效/合法從器件的密鑰。

質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證MAC
正如前面的應(yīng)用示例所述，DS2432的主要功能是完成質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證。主機(jī)發(fā)送一個(gè)隨機(jī)質(zhì)詢碼，指示DS2432根據(jù)該質(zhì)詢碼、密鑰、主機(jī)所選存儲(chǔ)器頁(yè)的數(shù)據(jù)、以及其它數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)共同構(gòu)成信息)計(jì)算出響應(yīng)MAC (見(jiàn)圖8)。


圖8. 用于生成質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證MAC

DS2432完成計(jì)算后，將MAC回送給主機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。主機(jī)使用有效密鑰和DS2432所使用的相同信息數(shù)據(jù)重新進(jìn)行MAC計(jì)算。如果該結(jié)果和DS2432給出的MAC是匹配的，則器件是合法的，因?yàn)橹挥泻戏ǖ腄S2432才能正確地響應(yīng)質(zhì)詢-響應(yīng)過(guò)程。質(zhì)詢碼是隨機(jī)數(shù)據(jù)這一點(diǎn)是非常重要的。如果質(zhì)詢碼始終不變，很容易遭受一個(gè)利用有效、靜態(tài)、記錄和回放的MAC (不是使用認(rèn)證DS2432實(shí)時(shí)算出的MAC)進(jìn)行回放攻擊。

數(shù)據(jù)安全
除了提供從器件的認(rèn)證功能外，同時(shí)強(qiáng)烈要求存放在器件中的數(shù)據(jù)是可信的。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，DS2432的寫(xiě)訪問(wèn)是安全受限的。將數(shù)據(jù)從暫存器拷貝到EEPROM或控制寄存器之前，DS2432要求主機(jī)提供寫(xiě)訪問(wèn)認(rèn)證MAC來(lái)證明其合法身份。DS2432根據(jù)暫存器中的新數(shù)據(jù)、密鑰、需要更新的存儲(chǔ)器頁(yè)數(shù)據(jù)、以及其它數(shù)據(jù)(圖9)計(jì)算該MAC。

合法主機(jī)知道密鑰并可計(jì)算出有效的寫(xiě)訪問(wèn)MAC?？截惷顖?zhí)行過(guò)程中收到主機(jī)MAC時(shí)，DS2432將其與自身計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。只有當(dāng)二者匹配時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)從緩沖存儲(chǔ)器傳輸至目標(biāo)EEPROM。當(dāng)然，不能修改寫(xiě)保護(hù)的存儲(chǔ)器頁(yè)，即使MAC是正確的。


圖9. 用于計(jì)算寫(xiě)訪問(wèn)認(rèn)證MAC的輸入數(shù)據(jù)

密鑰保護(hù)
DS2432的架構(gòu)允許直接向器件裝入密鑰?？赏ㄟ^(guò)讀保護(hù)提供密鑰保護(hù)，如果需要，還可以采用寫(xiě)保護(hù)提供密鑰保護(hù)，這將永遠(yuǎn)不能改變密鑰。只要在設(shè)備制造現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)密鑰是安全和可控的，這種保護(hù)等級(jí)是很有效的。

可以采用不同方法提升密鑰保護(hù)等級(jí)： a) 由DS2432計(jì)算其密鑰；b) 由DS2432在不同場(chǎng)合分階段計(jì)算其密鑰；c) 計(jì)算密鑰時(shí)包含獨(dú)一無(wú)二的器件ID號(hào)，生成與器件相關(guān)的密鑰；d) 組合第2和第3種方法。

如果采用上面第1種方法，每個(gè)DS2432自己計(jì)算其密鑰，只知道計(jì)算密鑰的原始數(shù)據(jù)；永遠(yuǎn)不會(huì)暴露密鑰本身。如果采用第2種方法，密鑰在不同場(chǎng)合分階段計(jì)算，只知道密鑰的“本地”原始數(shù)據(jù)。這種方法可有效控制“最終”密鑰的信息。如果密鑰是與器件相關(guān)的(第3種方法)，主機(jī)還需要增加一個(gè)計(jì)算步驟。但如果一個(gè)器件的密鑰被意外發(fā)現(xiàn)，潛在危害卻可降至最低。如果密鑰分階段計(jì)算，并且與具體器件相關(guān)(第4種方法)，可獲得最高保護(hù)等級(jí)。但是，為確保系統(tǒng)保密性，主機(jī)和從機(jī)一樣需要在不同地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

計(jì)算密鑰之前，必須先裝入一個(gè)已知數(shù)值作為密鑰。有了這個(gè)已知密鑰，必須向四個(gè)存儲(chǔ)器頁(yè)之一寫(xiě)入計(jì)算新密鑰的32字節(jié)數(shù)據(jù)。接下來(lái)，需要向DS2432的暫存器寫(xiě)入一個(gè)局部密鑰。局部密鑰可以是用于計(jì)算的存儲(chǔ)器頁(yè)碼和獨(dú)一無(wú)二的器件ID號(hào)(CRC字節(jié)除外)，或任何其它與應(yīng)用相關(guān)的8字節(jié)數(shù)據(jù)。

如果指示DS2432計(jì)算密鑰，則DS2432啟動(dòng)SHA-1引擎，使用圖10所示的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算MAC。20字節(jié)MAC的最低8個(gè)字節(jié)自動(dòng)拷貝到密鑰存儲(chǔ)器地址，立即成為有效密鑰。


圖10. 計(jì)算密鑰的輸入數(shù)據(jù)

結(jié)論

了解安全認(rèn)證功能并巧妙實(shí)現(xiàn)，可提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。認(rèn)證不但保護(hù)了程序代碼，而且公共硬件平臺(tái)利用安全的軟件功能設(shè)置有助于降低生產(chǎn)成本。DS2432的數(shù)據(jù)安全性甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置修改，節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時(shí)間。從DS2432所展示的功能可以看出，一個(gè)小小的硅晶片將對(duì)收益產(chǎn)生巨大的影響。