采用FPGA安全存儲(chǔ)器的加密認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，高速 FPGA運(yùn)行時(shí)需將其配置數(shù)據(jù)加載到內(nèi)部SRAM 中，改變SDRAM 里面的數(shù)據(jù)，從而使FPGA實(shí)現(xiàn)不同的功能，即所謂的可重構(gòu)技術(shù)。但是由于其采用的是基于SRAM的技術(shù)，每次上電的時(shí)候都會(huì)重新配置FPGA，這就可以通過(guò)監(jiān)視FPGA配置引腳位流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)制，因此，在關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)中，有必要采取加密的技術(shù)來(lái)保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1、加密問(wèn)題的提出

由于 FPGA基于SRAM，所以掉電以后，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)必然丟失，為了讓系統(tǒng)正常運(yùn)行，就需要在系統(tǒng)上電的時(shí)候給FPGA加載程序，目前對(duì)FPGA加載程序的方法主要有以下幾種：

第一、 采用邊界掃描的方式，這種方法主要用于產(chǎn)品調(diào)試期間用；

第二、 采用專用配置芯片配置，主要用于升級(jí)次數(shù)少的產(chǎn)品；

第三、 采用存儲(chǔ)器＋微控制器的配置方法，這種配置方法靈活，使用方便，便于升級(jí)，多用于需要多次升級(jí)的產(chǎn)品。

以上幾種 FPGA配置方法在上電加載程序的時(shí)候，都需要將配置的數(shù)據(jù)通過(guò)配置管腳下載到 FPGA中，這樣，就可以利用一定的電路對(duì)這些引腳進(jìn)行采樣來(lái)獲得 FPGA的配置信息，就可以對(duì)另一款同樣的 FPGA來(lái)進(jìn)行配置，這樣，就不需要知道設(shè)計(jì)的具體原理而實(shí)現(xiàn)了同樣的功能，從而達(dá)到了克隆設(shè)計(jì)的目的，對(duì)設(shè)計(jì)者造成了巨大的損失，所以，我們有必要對(duì)我們的設(shè)計(jì)采取加密認(rèn)證技術(shù)。

2、DS28E01芯片及其加密原理

MAXIM公司生產(chǎn)的 DS28E01將 1024位 EEPROM與符合 ISO/IEC110118-3安全散列算法(SHA-1)的質(zhì)詢響應(yīng)安全認(rèn)證結(jié)合在一起。在單個(gè)芯片內(nèi)集成了 1024位 EEPROM(分為 4頁(yè)，每頁(yè) 256位)、64位密鑰、一個(gè)寄存器頁(yè)、512位 SHA-1引擎和 64位 ROM序列碼。 DS28E01對(duì)數(shù)據(jù)按照 1-Wire協(xié)議串行傳送，通信速率為15.3kbps(標(biāo)準(zhǔn)速率模式)或125kbps(高速模式)，只需要一根數(shù)據(jù)線和一根返回地線，最大限度的節(jié)省了對(duì)控制器 I/O口的占用。

HASH加密函數(shù)是一種單向散列函數(shù)，是一種單向密碼體制，即它是一種從明文到密文的不可逆映射，只有加密過(guò)程，不能解密，也就是說(shuō)，從數(shù)學(xué)上不能由密文反過(guò)來(lái)推算出明文的任何消息。其中常見的 HASH函數(shù)的算法有:MD5、SHA、N-Hash、RIPE-MD、HAVAL等。

SHA-1算法是一種通過(guò)直接構(gòu)造復(fù)雜的非線性關(guān)系達(dá)到單向要求，設(shè)計(jì)單向散列函數(shù)的算法，具有“不可逆”、“防碰撞”以及良好的“雪崩效應(yīng)”，防止了盜竊者利用相近的輸入來(lái)達(dá)到破解密碼的可能性。

DS28E01內(nèi)部的加密過(guò)程是在內(nèi)部的加密引擎中進(jìn)行的，其加密引擎利用的是 HSAH函數(shù)的 SHA-1算法，但是和標(biāo)準(zhǔn)的 SHA-1算法又有幾點(diǎn)不一樣。標(biāo)準(zhǔn)算法的輸入值可以小于、等于或大于分組長(zhǎng)度512bit，但是 SHA-1引擎的 SHA-1算法輸入的是固定的512bit,也就是標(biāo)準(zhǔn) SHA-1算法的分組長(zhǎng)度。并且標(biāo)準(zhǔn) SHA-1算法每個(gè)分組的最后一次循環(huán)體的輸出都要和輸入每個(gè)分組的初始常量做MOD232加法，而在 DS28E01的 SHA-1引擎中由于只有一個(gè)512bit的循環(huán)體，最后就省略了將初始常量添加回結(jié)果的最終步驟。至于引擎的 SHA-1算法的其他步驟則與標(biāo)準(zhǔn)的 SHA-1算法相同。

3、加密模塊設(shè)計(jì)

目前由很多能實(shí)現(xiàn) FPGA加密的方法，如在 Xilinx Virtex-II和 Virtex-4這類的高端FPGA中，支持對(duì)配置數(shù)據(jù)流的加密操作。這樣僅當(dāng) FPGA中含有相同的密鑰時(shí)，這些數(shù)據(jù)流才可以工作。但是這種加密的方法對(duì)更為廣泛的、對(duì)成本比較敏感的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)不甚合適。因此，這里利用另一種可行的身份識(shí)別法來(lái)防止意外拷貝。這種方法對(duì)所有 FPGA家族都使用，包括低端的 Xilinx Spartan-3系列FPGA。

3.1、加密模塊的原理圖設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中的加密模塊的原理圖如圖1。硬件部分主要由 Xilinx公司 Spartan-3系列的X3CS500E以及MAXIM公司的DS28E01芯片組成。DS28E01芯片和FPGA之間是通過(guò)DS28E01的第二引腳的 1-Wire通信總線進(jìn)行通信的。

唯一識(shí)別號(hào)及附加數(shù)據(jù)(常數(shù))在內(nèi)的 HASH運(yùn)算結(jié)果，運(yùn)算的結(jié)果是 160位的 MAC(消息認(rèn)證碼)，同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部也會(huì)同安全存儲(chǔ)器一樣進(jìn)行包含密鑰、隨機(jī)數(shù)、附加數(shù)據(jù)及器件識(shí)別號(hào)在內(nèi)的 HASH計(jì)算并產(chǎn)生一個(gè)期望的MAC。然后，在 FPGA內(nèi)會(huì)對(duì)這兩個(gè) MAC進(jìn)行比較，如果一樣，則 FPGA認(rèn)為該電路是“合法”電路，因?yàn)樗鼡碛姓_的密鑰。此時(shí) FPGA進(jìn)入正常工作狀態(tài)，開啟/執(zhí)行其配置數(shù)據(jù)中的所有功能，會(huì)執(zhí)行所有的功能。如果 FPGA和DS28EO1兩者產(chǎn)生的MAC不匹配，則系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為該電路是一個(gè)“非法”電路，因?yàn)樵撓到y(tǒng)不具有正確的密碼。此時(shí) FPGA進(jìn)入非正常運(yùn)行狀態(tài)，只執(zhí)行有限的功能。

3.2、加密認(rèn)證模塊的程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)加密認(rèn)證的功能，我們?cè)?FPGA中利用 VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了 IFF模塊，在 IFF模塊的內(nèi)部是根據(jù)SHA-1算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入密碼的HASH函數(shù)運(yùn)算以及與DS28E01中產(chǎn)生的MAC的比較功能，IFF模塊的接口定義如圖 2所示：

其中，CLKIN是一個(gè)大于 20M的時(shí)鐘；IFF是認(rèn)證啟動(dòng)信號(hào)，在 IFF信號(hào)上升沿的時(shí)候模塊內(nèi)部開始啟動(dòng) HSAH運(yùn)算過(guò)程以及密碼比較過(guò)程；RESET是復(fù)位信號(hào)，高電平有效；IB則是 FPGA通過(guò) 1-Wire協(xié)議與 DS28E01通訊的信號(hào)；FOE信號(hào)是 IFF模塊的輸出線，在IFF內(nèi)部 MAC比較完成后，如果 FPGA認(rèn)定該電路具有正確的密碼，則會(huì)置 FOE信號(hào)為低電平，反之如果 FPGA認(rèn)定該電路不是合法的電路，則會(huì)置 FOE信號(hào)為高電平，在 FPGA內(nèi)部可以根據(jù)FOE的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)電路是否是被拷貝的來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，防止了設(shè)計(jì)被拷貝。

在 IFF模塊中，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的 SHA-1算法，其中算法流程圖見圖3，在 FPGA配置完成之后，在 RESET信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)的控制下，F(xiàn)PGA內(nèi)部就會(huì)運(yùn)行 SHA-1算法產(chǎn)生相應(yīng)的MAC，與由 DS28E01產(chǎn)生的 MAC進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果將 FOE設(shè)置為不同的狀態(tài)，然后 FPGA就可以根據(jù) FOE的狀態(tài)來(lái)判斷是否是合法電路。其中的初始化主要完成消息填充和附加原始消息長(zhǎng)度以及在算法中需要的函數(shù)和常數(shù)的定義。

4、設(shè)計(jì)總結(jié)

在現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)的成本越來(lái)越高的情況下，基于 SRAM的 FPGA由于自身限制，容易使得設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)被復(fù)制，從而給設(shè)計(jì)者提出了設(shè)計(jì)具有加密功能的電子系統(tǒng)，由于 SHA-1 算法引擎的 DS28E01芯片作為加密認(rèn)證系統(tǒng)的核心芯片，并利用 DS28E01針對(duì) Xilinx公司的 X3CS500E開發(fā)了實(shí)際的加密認(rèn)證系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品中，取得了良好的效果。

圖 3 SHA-1算法流程圖(Figure 3. SHA-1 algorithm flow)