FPGA身份识别.doc

基于FPGA的身份识别及防拷贝机制摘要：本文描述了如何利用安全存储器来完成身份识别功能，以实现对FPGA设计的保护。在完成身份识别特性的同时，还可实现软功能管理和电路板识别功能。本文所涉及的FPGA均来自Xilinx,Inc.。 动机 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XilinxVirtex-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XilinxSpartan-3系列FPGA。 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。 安全/应用笔记/利用单总线接口的SHA-1安全存储器实现Xilinx%20FPGA的身份识别及防拷贝机制%20-%20Maxim-Dallas.files/3826Fig01.gif width=521图1.DallasSemiconductor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。 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。 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/IEC10118-3:2004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。 DS28E01-100和DS2432是达拉斯半导体提供的内置SHA-1算法的安全存储器。这些器件的单总线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，Virtex-II，Virtex-IIPro，Virtex-4FPGA和CoolRunner-IICPLD的自由宏。PicoBlaze使用192个逻辑单元，仅为Spartan-3XC3S200器件的5%。 技术的实现 当器件上电后，FPGA从FlashPROM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。 此过程的安全性何在？ 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，也无需担心单总线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。 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，达拉斯半导体为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，达拉斯半导体的工厂按照客户的要求对这类器件进行注册和配置，然后DallasSemiconductor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。 DallasSemiconductor保存发送单元的数量纪录，以备OEM查账之需。 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。 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。 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。 更多内容 这里提供的信息在一个相当抽象的水平上给出了通过FPGA和安全存储器实施的IFF认证的概念。欲了解更多信息，请参见以下文件： Dallas应用笔记3675，保护您的研发成果-双向认证及软件功能保护(安全和系统方面)。 Dallas应用笔记1201，白皮书8：1-WireSHA-1概述(HASH，SHA-1，可信任令牌，交易细节，信息和产品数据手册的进一步链接)。 XILINX应用笔记XAPP780，FPGAIFFCopyProtectionUsingDallasSemiconductor/MaximDS2432SecureEEPROMs(概念的成功实施，如何用FPGA执行的详细资料)。 安全散列标准(Englishonly)，联邦信息处理标准出版物180-1。 DallasSemiconductor应用笔记178，利用1-Wire产品标识印刷电路板(概念，定义数据，外部测点)。 DallasSemiconductor应用笔记3522，白皮书9：SHA-1器件的安全性是否依然足够安