基于SRAM的FPGA設(shè)計IP的解決方案 - 全文

　　本應(yīng)用筆記介紹了FPGA （現(xiàn)場可編程門陣列）及其如何保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能和知識產(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IP的高性價比認(rèn)證方案。介紹了DS28E01和DS28CN01器件的特性。

　　在過去20年中，F(xiàn)PGA （現(xiàn)場可編程門陣列）已經(jīng)從原型開發(fā)工具演變?yōu)橄M和工業(yè)應(yīng)用的靈活解決方案。隨著FPGA邏輯復(fù)雜性從幾千個邏輯門升至數(shù)百萬個邏輯門，器件可以容納更多的系統(tǒng)關(guān)鍵功能（即知識產(chǎn)權(quán)，IP）。

　　如今，設(shè)計者可以選擇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)存儲于FPGA芯片，并且芯片具有防止存儲數(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、電壓對比電子束顯微鏡和聚焦離子束（FIB）探測，來“竊聽”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的簡要背景資料，請參考附錄A，F(xiàn)PGA工藝及相關(guān)事項）。

　　然而，基于靜態(tài)RAM （SRAM）的FPGA幾乎沒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)，則被存儲于SRAM存儲器單元，而該存儲器很容易被偵測確定其內(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)對各種偵測措施敞開了大門。由于比特流通常儲存在獨立的存儲器芯片，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

　　由于兩芯片方案（FPGA和配置存儲器）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)。

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

　　沒有保護(hù)

　　在沒有比特流加密的情況下，基于SRAM的FPGA設(shè)計特別容易被盜版?？梢圆东@配置比特流，并將其重新編程寫入配置PROM，或簡單回放，對原始設(shè)計進(jìn)行克隆。從而使克隆產(chǎn)品與原版產(chǎn)品競爭，竊取研究和開發(fā)投資，降低原制造商的市場份額和效益。

　　即使沒有加密，反熔絲或基于閃存的FPGA也比基于SRAM的FPGA更加安全，因為配置數(shù)據(jù)沒有暴露在外部。但如果由裝配廠編程FPGA，裝配廠即有可能對更多的設(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)計安全性的一種方法是：采用多芯片封裝，并將非易失存儲器與FPGA封裝在一起。但如果有人打開封裝，存儲器和FPGA之間的數(shù)據(jù)接口仍然會暴露在外部，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、如何編碼和識別）基本沒有正式的文件說明。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1。如果逆向工程成功，即使只對配置數(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力設(shè)置，導(dǎo)致原廠的責(zé)任問題。

　　設(shè)計挑戰(zhàn)

　　為了防止系統(tǒng)成本劇增，設(shè)計人員還必須繼續(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，而且不會對生產(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增加整體功耗，這一點對于設(shè)計非常重要。并且，安全性對于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)證過程的目的是在兩個或多個實體之間建立標(biāo)識驗證。基于密鑰的認(rèn)證方法是把密鑰和被驗證數(shù)據(jù)（即“信息”）作為輸入，計算信息驗證代碼（MAC）。然后將 MAC附加在信息中，信息接收方進(jìn)行相同的計算并將其計算的MAC與隨信息傳送的MAC進(jìn)行比較。如果兩個MAC一致，則判斷信息可靠。

　　該基本模型有一個缺點：被攔截的消息可以由非驗證發(fā)出方隨后重新發(fā)送，并且被誤認(rèn)為是經(jīng)過認(rèn)證的。如果MAC計算包含了由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，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)證過程驗證MAC發(fā)送方的真實性

　　為了檢驗MAC發(fā)送方的真實性，MAC接收方產(chǎn)生一個隨機(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)詢計算新的 MAC。隨后，發(fā)送方將計算結(jié)果返回給接收方。如果發(fā)送方被證實能夠計算任何質(zhì)詢碼的有效MAC，則可以確認(rèn)其已知密碼并被視為可靠。這個過程稱為質(zhì)詢- 響應(yīng)認(rèn)證（參見圖1）。

　　用于計算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)審議并被國際認(rèn)可的一種單向散列算法是SHA-1，這種算法由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）開發(fā)。SHA-1已經(jīng)納入國際標(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對應(yīng)的輸入在計算上是不可行的。

　　防沖突：不能找出多個可產(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，以及國際上對該算法的認(rèn)定，SHA-1成為安全存儲器質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證的最佳選擇。

　　硬件實現(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)計的一部分實施，這種方式成本低廉（圖2）。該例中，安全存儲器件僅通過一個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。該器件包含一個SHA-1引擎、128字節(jié)用戶存儲器、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、不可更改的識別碼。

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

　　DS28E01的1-Wire接口將通信通道減少至單個FPGA引腳，用于質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證。因為FPGA的I/O引腳常常受限，這種安全方案對系統(tǒng)的影響最小。另一種可構(gòu)建的實施方案是利用FPGA實現(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。

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

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

　　關(guān)于SHA-1 MAC計算的詳細(xì)信息，請查詢安全散列標(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個邏輯單元，這僅僅是一片Spartan?-3 XC3S50器件的11%。Altera?器件中相似的微處理器占用850個邏輯單元，相當(dāng)于EP2C5 （Cyclone? II系列的最小規(guī)模）的18.5%。

　　工作原理

　　上電時，F(xiàn)PGA從其配置存儲器開始自行配置。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，也稱為敵我識別（IFF），這個識別過程包含以下步驟：

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

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

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

　　將安全存儲器計算的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”，因為它顯然知道密鑰。FPGA轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ?，激?執(zhí)行所有配置編碼定義的功能。但是，如果兩個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，安全存儲器或FPGA都不能對其進(jìn)行讀取。并且，因為比特流中的數(shù)據(jù)雜亂無章，當(dāng)FPGA自我配置時，對配置流的竊聽不會泄露密鑰。考慮到數(shù)據(jù)字節(jié)的尺寸，對比特流進(jìn)行逆向工程以推測設(shè)計架構(gòu)非常耗時，幾乎不可能完成該項任務(wù)。

　　另一個至關(guān)重要的安全措施是質(zhì)詢的隨機(jī)性。可預(yù)測的質(zhì)詢（常數(shù)）產(chǎn)生可預(yù)測的響應(yīng)，該過程可以記錄一次，隨后由模擬安全存儲器的微控制器重放。利用可預(yù)測的質(zhì)詢碼，微控制器可以成功地讓FPGA將其認(rèn)定為“朋友”。IFF方法中質(zhì)詢碼的隨機(jī)性消除了上述憂慮。

　　如果每個安全存儲器中的密鑰都是與器件相關(guān)的，則可以進(jìn)一步提高安全性：每個具體密鑰都是利用主控密鑰、SHA-1存儲器的唯一識別碼以及相關(guān)的常數(shù)計算得到。如果具體個體密碼被公開，則只影響單個器件，而非整個系統(tǒng)的安全性。為了支持個體密鑰，F(xiàn)PGA需要知道主密鑰并在計算預(yù)期響應(yīng)之前首先計算1- Wire SHA-1存儲器芯片的密鑰。

　　邏輯問題

　　對于要構(gòu)建的所有單元，開發(fā)商（OEM）必須向利用嵌入式FPGA制造產(chǎn)品的合同廠商（CM）提供適當(dāng)?shù)念A(yù)編程安全存儲器。這種一對一的關(guān)系限制了CM能夠構(gòu)建的授權(quán)設(shè)備的數(shù)量。為了防止CM竊取安全存儲器 （例如：聲稱由于某些內(nèi)存的編程不正確，需要更多內(nèi)存），建議OEM對安全密鑰設(shè)置寫保護(hù)。

　　即使其沒有寫保護(hù)，也無需擔(dān)心1-Wire EEPROM數(shù)據(jù)存儲器的安全性。設(shè)計保證只有知道密鑰的人才能夠更改該存儲器數(shù)據(jù)。這一附加作用很受歡迎，因為該功能使應(yīng)用設(shè)計者可以進(jìn)行軟件功能管理—FPGA可以根據(jù)從SHA-1安全存儲器讀取的數(shù)據(jù)激活/禁止某些功能。

　　OEM 并不總是在將存儲器件運送給CM之前先對其進(jìn)行預(yù)編程。為了解決這一問題，安全存儲器制造商可以為OEM設(shè)置SHA-1密鑰和EEPROM陣列預(yù)編程服務(wù)。Maxim為您提供這樣的服務(wù)，根據(jù)OEM的輸入，在工廠登記和配置安全存儲器，然后將其直接運送給CM。該服務(wù)具有以下主要優(yōu)勢：

　　消除OEM向CM透露密鑰的必要性。

　　避免了OEM實施自己預(yù)編程系統(tǒng)的必要性。

　　只有OEM授權(quán)的第三方可以訪問注冊器件。

　　供應(yīng)商保存運輸數(shù)量的記錄，以備OEM審核。

　　方案驗證

　　本文介紹的FPGA安全認(rèn)證方案已經(jīng)在Altera和Xilinx產(chǎn)品上進(jìn)行了測試，Altera在其白皮書“An FPGA Design Security Solution Using a Secure Memory Device”中總結(jié)道：“即使配置數(shù)據(jù)比特流被捕獲，這種FPGA安全性設(shè)計的IFF方案也能防止Altera FPGA設(shè)計被克隆。只有在FPGA和安全存儲器的散列算法計算結(jié)果相一致時，用戶設(shè)計才會有效。這種安全設(shè)計可有效保護(hù)FPGA設(shè)計者的IP”3。

　　同樣，Xilinx也在其應(yīng)用筆記XAPP780中聲明：“該系統(tǒng)的安全性建立在密鑰和安全環(huán)境中加載密鑰的安全性基礎(chǔ)上。整個參考設(shè)計，除密鑰外，都滿足得到普遍應(yīng)用的Kerckhoffs原理。應(yīng)用筆記提供的編程和認(rèn)證的簡單接口簡化了防盜版保護(hù)方案的實施”4 （Flemish語言學(xué)家Auguste Kerckhoffs在其關(guān)于軍事加密領(lǐng)域極具創(chuàng)造性的文章中指出：除了依靠模糊性之外，安全應(yīng)該依靠密鑰的力量。他主張，遭到入侵時只需要更換密鑰，而不是整個系統(tǒng)）。

　　結(jié)論

　　只需添加一片類似于DS28E01的低成本芯片并更新FPGA配置碼，即可實現(xiàn)IP保護(hù)，避免設(shè)計被盜版。利用1-Wire接口，只需將FPGA的一個引腳用于安全性設(shè)計。如果FPGA有更多引腳，則可使用I2C接口的安全存儲器，替代1-Wire設(shè)計。設(shè)計中還需對FPGA配置以及嵌入式微控制器的控制軟件進(jìn)行某些修改。

　　可以定購固定密鑰或計算密鑰及特殊應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全存儲器。然后將預(yù)編程器件僅發(fā)送給OEM，或發(fā)送給經(jīng)過授權(quán)的CM。CM只能生產(chǎn)、提供與預(yù)編程器件相同數(shù)量的產(chǎn)品。

　　附錄A

　　FPGA工藝及相關(guān)事項

　　五家主流FPGA供應(yīng)商—Actel?、Altera、Lattice Semiconductor Corporation?、QuickLogic?和Xilinx—占有將近98%的市場份額。其余2%份額則屬于幾家提供類似FPGA功能的特殊供應(yīng)商。

　　所有這些廠商都采用外包運作模式，并依靠***、日本、新加坡或德國的晶圓加工廠來為其生產(chǎn)晶片。所以，他們僅僅具有操作與其工廠相關(guān)的技術(shù)部分的權(quán)限，例如利用SRAM功能或高密度浮柵存儲器陣列的快速邏輯。通過充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)加工流程的作用，F(xiàn)PGA公司能夠保持其制造成本非常低廉。

　　然而，Actel和QuickLogic與其加工廠一起將知識產(chǎn)權(quán)反熔絲技術(shù)集成在加工流程中。反熔絲技術(shù)具有某些獨特優(yōu)點：良好的安全性、小單元、耐輻射，當(dāng)然還有非易失性。反熔絲技術(shù)存在一個局限性。與基于閃存的器件不同，一旦配置了單元，將不能對其進(jìn)行重新配置（正如“熔絲”的字面意思）。另外，盡管反熔絲工藝比基于SRAM的FPGA更復(fù)雜，但是其單元更小，導(dǎo)致具有邏輯能力的芯片更小，成本更低。

　　很長時間以來，SRAM和閃存技術(shù)是相互排斥的；他們不能被方便地集成到一個芯片中。但是這種情況已經(jīng)改變了，由于最近市場需求推動了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。小型競爭者（Actel、Lattice Semiconductor和QuickLogic）現(xiàn)在提供基于閃存的單芯片F(xiàn)PGA （分別為ProASIC、Lattice?XP2和PolarPro）。

　　例如，從2004年開始，Altera已經(jīng)開始提供基于閃存的 CPLD （MAXII），但是目前沒有將這項技術(shù)應(yīng)用于FPGA。Xilinx早在2007年就推出了基于閃存的FPGA的Spartan-3AN生產(chǎn)線，在單個封裝中安裝兩個芯片（FPGA和閃存）。但是Xilinx沒有單片的基于閃存的FPGA產(chǎn)品5。集成閃存的能力促進(jìn)了通過基于SRAM的FPGA使用外部配置內(nèi)存的IP安全性的改良。通過在一個芯片上進(jìn)行集成，使剽竊存儲器和可配置邏輯陣列之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更加困難。

　　滿足所有這些安全要求的一個方法是在FPGA和安全存儲器之間采用質(zhì)詢-響應(yīng)數(shù)據(jù)交換（認(rèn)證）。安全存儲器芯片是十九世紀(jì)80年代后期的發(fā)明。它們首先廣泛應(yīng)用與付費電話卡，然后在十九世紀(jì)90年代應(yīng)用于銀行卡；如今它們是GSM手機(jī)中的重要部分（即SIM卡）。安全芯片卡和主系統(tǒng)之間的常用通信標(biāo)準(zhǔn)是I2C串行總線。

　　無論是為銀行還是電話應(yīng)用量身定制，安全存儲器用于通用目的都不可行。2000年當(dāng)Dallas Semiconductor （現(xiàn)在的Maxim Integrated Products）推出融合SHA-1散列算法的器件時，這種狀況才得以改變。繼第一代DS2432后又推出了增強(qiáng)型DS28E01。這些器件采用1-Wire接口，用于通信和供電。2007年推出的DS28CN01使用I2C接口，其他方面與DS28E01類似。

　　由于加工廠通常具有FPGA設(shè)計的詳盡知識，另一個需要考慮的關(guān)于IP安全性的方面是加工廠的誠信。為了防止所有權(quán)信息被非法竊取，信任或嚴(yán)格控制和監(jiān)督是必需的。國內(nèi)的加工廠比國外的加工廠要容易實現(xiàn)這一點。盡管如此，迄今為止，主要的加工廠在安全設(shè)計細(xì)節(jié)上表現(xiàn)了優(yōu)秀的誠信品質(zhì)。