基于SRAM的FPGA設(shè)計(jì)IP的解決方案

　　本應(yīng)用筆記介紹了FPGA （現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）及其如何保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）。本文探討了IP保護(hù)的各種途徑。SHA-1質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證被認(rèn)為是最安全的方法。本文提出了一種能夠保護(hù)基于SRAM的FPGA設(shè)計(jì)IP的高性價(jià)比認(rèn)證方案。介紹了DS28E01和DS28CN01器件的特性。

　　在過(guò)去20年中，F(xiàn)PGA （現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）已經(jīng)從原型開(kāi)發(fā)工具演變?yōu)橄M(fèi)和工業(yè)應(yīng)用的靈活解決方案。隨著FPGA邏輯復(fù)雜性從幾千個(gè)邏輯門(mén)升至數(shù)百萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)，器件可以容納更多的系統(tǒng)關(guān)鍵功能（即知識(shí)產(chǎn)權(quán)，IP）。

　　如今，設(shè)計(jì)者可以選擇FPGA，利用各種技術(shù)保護(hù)配置數(shù)據(jù)—OTP （一次性可編程）反熔絲、基于閃存的可重復(fù)編程存儲(chǔ)單元以及可重復(fù)編程、基于SRAM的可配置邏輯單元。由于配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于FPGA芯片，并且芯片具有防止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀取的機(jī)制，反熔絲和基于閃存的解決方案都提供了相對(duì)安全的方案。此外，除非采用非常復(fù)雜的方法，例如解包、微探針、電壓對(duì)比電子束顯微鏡和聚焦離子束（FIB）探測(cè)，來(lái)“竊聽(tīng)”硅體并使安全機(jī)制失效1，否則數(shù)據(jù)遭到破壞的可能性非常低（關(guān)于FPGA的簡(jiǎn)要背景資料，請(qǐng)參考附錄A，F(xiàn)PGA工藝及相關(guān)事項(xiàng)）。

　　然而，基于靜態(tài)RAM （SRAM）的FPGA幾乎沒(méi)有任何安全措施保護(hù)IP （配置數(shù)據(jù)），防止數(shù)據(jù)被非法復(fù)制和剽竊。原因在于，一旦加載數(shù)據(jù)，則被存儲(chǔ)于SRAM存儲(chǔ)器單元，而該存儲(chǔ)器很容易被偵測(cè)確定其內(nèi)容。此外，缺乏一定的安全機(jī)制保護(hù)加載到芯片之前的配置數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)對(duì)各種偵測(cè)措施敞開(kāi)了大門(mén)。由于比特流通常儲(chǔ)存在獨(dú)立的存儲(chǔ)器芯片，并由FPGA在上電加載配置的模式下進(jìn)行讀取，所以有可能遍歷數(shù)據(jù)。盡管如此，還是可以找到一些簡(jiǎn)單方式保護(hù)數(shù)據(jù)，防止人為復(fù)制配置數(shù)據(jù)、剽竊IP。

　　基于SRAM的FPGA的弱點(diǎn)

　　由于兩芯片方案（FPGA和配置存儲(chǔ)器）中，配置數(shù)據(jù)比特流在上電階段暴露在外部，而FPGA不能分辨比特流是“真實(shí)數(shù)據(jù)”還是非法獲得的復(fù)本，配置數(shù)據(jù)所包含的IP完全不受保護(hù)。

　　通過(guò)密鑰和比特流加密可以部分地解決這個(gè)問(wèn)題。但是，由于這種保護(hù)方法成本高昂，只能用于高端FPGA，并不適合消費(fèi)類產(chǎn)品。

　　沒(méi)有保護(hù)

　　在沒(méi)有比特流加密的情況下，基于SRAM的FPGA設(shè)計(jì)特別容易被盜版。可以捕獲配置比特流，并將其重新編程寫(xiě)入配置PROM，或簡(jiǎn)單回放，對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行克隆。從而使克隆產(chǎn)品與原版產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，竊取研究和開(kāi)發(fā)投資，降低原制造商的市場(chǎng)份額和效益。

　　即使沒(méi)有加密，反熔絲或基于閃存的FPGA也比基于SRAM的FPGA更加安全，因?yàn)榕渲脭?shù)據(jù)沒(méi)有暴露在外部。但如果由裝配廠編程FPGA，裝配廠即有可能對(duì)更多的設(shè)備（多于授權(quán)數(shù)量）進(jìn)行編程并自行銷售，無(wú)需投入任何研發(fā)成本。這種非授權(quán)器件與授權(quán)器件很難區(qū)分，會(huì)嚴(yán)重影響公司效益。

　　在一定程度上提高基于SRAM的FPGA設(shè)計(jì)安全性的一種方法是：采用多芯片封裝，并將非易失存儲(chǔ)器與FPGA封裝在一起。但如果有人打開(kāi)封裝，存儲(chǔ)器和FPGA之間的數(shù)據(jù)接口仍然會(huì)暴露在外部，配置模式的安全性仍有可能受到威脅。

　　配置比特流的結(jié)構(gòu)（即數(shù)據(jù)位的順序、如何編碼和識(shí)別）基本沒(méi)有正式的文件說(shuō)明。盡管理論上可行，但比特流的模糊度、復(fù)雜性及其尺寸，使得逆向工程非常困難且耗時(shí)1。如果逆向工程成功，即使只對(duì)配置數(shù)據(jù)流進(jìn)行部分逆向工程，仍有可能非法侵入機(jī)頂盒以竊取服務(wù)或篡改交通工具的動(dòng)力設(shè)置，導(dǎo)致原廠的責(zé)任問(wèn)題。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　為了防止系統(tǒng)成本劇增，設(shè)計(jì)人員還必須繼續(xù)使用不帶加密的基于SRAM的FPGA。但他們必須找到IP保護(hù)的方法，并將安全措施的成本控制在盡可能低的等級(jí)，而且不會(huì)對(duì)生產(chǎn)流程造成大的影響。

　　把用于安全保護(hù)的硬件電路裝入電路板允許的空間而且不會(huì)增加整體功耗，這一點(diǎn)對(duì)于設(shè)計(jì)非常重要。并且，安全性對(duì)于FPGA資源（例如：引腳和邏輯單元的數(shù)量）的影響必須盡可能小。

　　響應(yīng)：認(rèn)證

　　認(rèn)證過(guò)程的目的是在兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體之間建立標(biāo)識(shí)驗(yàn)證?；诿荑€的認(rèn)證方法是把密鑰和被驗(yàn)證數(shù)據(jù)（即“信息”）作為輸入，計(jì)算信息驗(yàn)證代碼（MAC）。然后將 MAC附加在信息中，信息接收方進(jìn)行相同的計(jì)算并將其計(jì)算的MAC與隨信息傳送的MAC進(jìn)行比較。如果兩個(gè)MAC一致，則判斷信息可靠。

　　該基本模型有一個(gè)缺點(diǎn)：被攔截的消息可以由非驗(yàn)證發(fā)出方隨后重新發(fā)送，并且被誤認(rèn)為是經(jīng)過(guò)認(rèn)證的。如果MAC計(jì)算包含了由MAC接收方選擇的隨機(jī)質(zhì)詢，則將避免這種簡(jiǎn)單的“重放攻擊”的成功幾率。圖1所示為該模式的通用概念。質(zhì)詢碼越長(zhǎng)，潛在的重放就越難以記錄所有可能的響應(yīng)。

　　圖1. 質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證過(guò)程驗(yàn)證MAC發(fā)送方的真實(shí)性

　　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(guò)程稱為質(zhì)詢- 響應(yīng)認(rèn)證（參見(jiàn)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(guò)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(kāi)發(fā)。SHA-1已經(jīng)納入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 10118-3:2004。

　　通過(guò)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。