DS2432雙向認證及軟件功能保護

在冒名頂替、偽造證件行為猖獗的年代，保證正確的身份識別至關(guān)重要。這不僅對個人如此，對電子產(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)境中保護其產(chǎn)品的安全性。實現(xiàn)這些安全需求的關(guān)鍵是認證。

本文解釋了認證的概念，以及maxim/dallas semiconductor以安全存儲器形式提供加密控制和保護的方案，非常適合需要知識產(chǎn)權(quán)保護、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)存儲等應(yīng)用。

什么是認證?

認證是指兩個或多個實體之間建立身份認可的過程。單向認證情況下，一方需向另一方證明其身份的合法性。對于雙向認證，雙方需要彼此向?qū)Ψ阶C明自己的身份。最常用的認證方法是利用口令實現(xiàn)。使用口令的主要問題是應(yīng)用中口令是暴露的，極易被探測。

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

基于密鑰的認證過程如圖1所示：密鑰(私密)和需要認證的數(shù)據(jù)(“信息”)作為輸入，來計算信息認證碼，即mac。mac然后附加到信息上。信息接收方進行相同的運算，將mac計算結(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。

但是，這種基本mac計算模型也有一個弱點。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弱點和證明mac發(fā)送方的合法身份，接收方可產(chǎn)生一個隨機數(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)詢碼重新計算新的mac，并返回給接收方。如果對應(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)。該過程就是質(zhì)詢-響應(yīng)認證。

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

sha-1是經(jīng)過深入研究和國際認可的單向散列算法，由national institute of standards and technology (nist)開發(fā)。sha-1已經(jīng)發(fā)展成為國際標準iso/iec 10118-3:2004，算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是公開的，并可從nist網(wǎng)站獲取。sha-1算法的主要特點包括以下幾點：1) 不可逆性—從計算角度講，不可能從mac推演出輸入信息；2) 抗沖突性—對于特定mac，找到多于一種輸入信息是不現(xiàn)實的；3) 高雪崩效應(yīng)—輸入的任何變化都會使mac結(jié)果產(chǎn)生巨大的變化。基于這些原因以及對該算法的國際性研究，maxim/dallas semiconductor選擇sha-1作為其安全存儲器的質(zhì)詢－響應(yīng)認證算法。

低成本安全認證—功能實現(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。最簡單的情況下，僅僅需要一個空閑i/o引腳以及一個上拉電阻即可構(gòu)成1-wire接口，如圖3所示。如果板上的計算能力或者剩余的程序存儲空間不足以完成sha-1 mac計算，設(shè)計者可以采用ds2460 sha-1協(xié)處理器，或?qū)⒂嬎闳蝿?wù)轉(zhuǎn)交給系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中最近的主機。協(xié)處理器還有另一個好處，可將系統(tǒng)密鑰存放在安全存儲器中，而不必存放在程序代碼內(nèi)。

嵌入式硬件/軟件授權(quán)管理

參考設(shè)計需要授權(quán)，并可能由第三方進行生產(chǎn)，需要防范非法使用程序代碼。考慮到收入原因，還有必要跟蹤和確認參考設(shè)計的使用次數(shù)。ds2432經(jīng)過預(yù)先編程(在供給第三方制造商之前先裝入密鑰和存儲器設(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，參考設(shè)計(圖4)通過ds2432執(zhí)行認證過程。只有具備有效密鑰的ds2432才能成功地返回有效mac。如果檢測到無效mac，處理器將采取相應(yīng)的特定操作。這種方法還帶來另外一個好處，即可以通過ds2432安全存儲器的設(shè)定值有選擇地授權(quán)和使能參考設(shè)計的功能。(有關(guān)此概念的更多信息，見軟件功能管理一節(jié)。)

具有64位有效密鑰的ds2432可通過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)計授權(quán)公司預(yù)先編程；或b) 由maxim/dallas semiconductor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)許可費用。

驗證硬件的合法性

驗證硬件的合法性時，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。

第一種情況下，固件/fpga試圖認證克隆的電路板。克隆制造商要向用戶eeprom寫入數(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)中卻是無效的。由于改動固件/fpga極為復(fù)雜，為保持和主機兼容，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)認證過程，則ds2432產(chǎn)生的mac與微控制器/fpga計算出的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)過程可以檢測到該失配現(xiàn)象，并據(jù)此采取相應(yīng)的特定操作。

第二種情況下，電路板試圖認證主機系統(tǒng)。電路板通過以下步驟驗證主機的身份：1) 產(chǎn)生質(zhì)詢碼，由ds2432計算質(zhì)詢-響應(yīng)認證碼mac；2) 向網(wǎng)絡(luò)主機發(fā)送計算mac的相同輸入數(shù)據(jù)(當(dāng)然不包括密鑰)，主機根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自己掌握的密鑰計算并返回質(zhì)詢-響應(yīng)認證碼mac。如果二者產(chǎn)生的mac相同，則電路板斷定主機是合法的。當(dāng)然，如果ds2432和網(wǎng)絡(luò)主機有約定的話，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)品到安裝于機架上的單元。單元的尺寸越大，開發(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。但這種方法又會產(chǎn)生新的問題：如果聰明的客戶需要一些功能完備的系統(tǒng)，他可以只購買一套功能完備的單元和一些功能較少的單元。通過軟件拷貝，功能較少的單元就可以提供完備的功能，而價格卻更低，因此欺騙了系統(tǒng)供應(yīng)商。

每個子系統(tǒng)電路板上的ds2432可以保護系統(tǒng)供應(yīng)商免受這類欺騙。除了進行質(zhì)詢-響應(yīng)認證外，ds2432還可以在其用戶eeprom內(nèi)存儲獨立的配置信息。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)，這一點將在數(shù)據(jù)安全一節(jié)進一步闡述。配置信息可以存儲為位圖形式或代碼字形式，完全由系統(tǒng)設(shè)計者決定。根據(jù)實際需要，應(yīng)盡可能簡單地設(shè)置配置信息。由于ds2432提供方便的1-wire接口，設(shè)計者只需增加一個晶體管和一個探測點，如圖6所示?？梢栽陔娐钒迤渌糠植簧想姷那闆r下，通過探測點向ds2432寫入配置信息。mosfet將ds2432與其它電路隔離，當(dāng)子系統(tǒng)正常工作時，也不會妨礙ds2432的正常訪問。

該配置寫入方法還帶來另一個好處，系統(tǒng)在用戶現(xiàn)場安裝完畢后，允許進行遠程更新/更改。任何未用于配置/功能管理的用戶eeprom均可采用電子標牌的形式實現(xiàn)電路板標識功能。該功能在應(yīng)用筆記178: 利用1-wire產(chǎn)品標識印刷電路板中進行了詳細說明，此應(yīng)用筆記178可從maxim網(wǎng)站下載。

ds2432認證功能詳細說明

器件總體架構(gòu)

ds2432 1-wire接口、1kb sha-1安全存儲器的主要數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)流路徑如圖7所示?？梢钥吹?字節(jié)密鑰和臨時存儲質(zhì)詢碼的緩沖存儲器(暫存器)。前面未曾提及的數(shù)據(jù)單元包括獨一無二的器件id號(標準1-wire特性)、四個用戶eeprom頁面、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)點地址，同時還用于認證過程。用戶存儲器存放待認證“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計算的64字節(jié)輸入數(shù)據(jù)塊?？刂萍拇嫫鲌?zhí)行特定的器件功能，例如可選的密鑰寫保護或eeprom仿真模式；控制寄存器通常不參與認證過程。

可毫無限制地讀取器件id號和用戶eeprom。并可完全讀/寫訪問緩沖存儲器?？梢灾苯友b入密鑰，但永遠不能讀取它。改變用戶存儲器或寄存器的內(nèi)容要求主機和從機(即ds2432)計算出相同的寫操作認證mac，才可以打開緩沖存儲器至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，主機必須要么知道、要么能夠計算出應(yīng)用中有效/合法從器件的密鑰。

質(zhì)詢-響應(yīng)認證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)認證。主機發(fā)送一個隨機質(zhì)詢碼，指示ds2432根據(jù)該質(zhì)詢碼、密鑰、主機所選存儲器頁的數(shù)據(jù)、以及其它數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)共同構(gòu)成信息)計算出響應(yīng)mac (見圖8)。

ds2432完成計算后，將mac回送給主機進行驗證。主機使用有效密鑰和ds2432所使用的相同信息數(shù)據(jù)重新進行mac計算。如果該結(jié)果和ds2432給出的mac是匹配的，則器件是合法的，因為只有合法的ds2432才能正確地響應(yīng)質(zhì)詢-響應(yīng)過程。質(zhì)詢碼是隨機數(shù)據(jù)這一點是非常重要的。如果質(zhì)詢碼始終不變，很容易遭受一個利用有效、靜態(tài)、記錄和回放的mac (不是使用認證ds2432實時算出的mac)進行回放攻擊。

數(shù)據(jù)安全
除了提供從器件的認證功能外，同時強烈要求存放在器件中的數(shù)據(jù)是可信的。為實現(xiàn)這一點，ds2432的寫訪問是安全受限的。將數(shù)據(jù)從暫存器拷貝到eeprom或控制寄存器之前，ds2432要求主機提供寫訪問認證mac來證明其合法身份。ds2432根據(jù)暫存器中的新數(shù)據(jù)、密鑰、需要更新的存儲器頁數(shù)據(jù)、以及其它數(shù)據(jù)(圖9)計算該mac。

合法主機知道密鑰并可計算出有效的寫訪問mac?？截惷顖?zhí)行過程中收到主機mac時，ds2432將其與自身計算的結(jié)果進行比較。只有當(dāng)二者匹配時，數(shù)據(jù)才會從緩沖存儲器傳輸至目標eeprom。當(dāng)然，不能修改寫保護的存儲器頁，即使mac是正確的。

密鑰保護
ds2432的架構(gòu)允許直接向器件裝入密鑰?？赏ㄟ^讀保護提供密鑰保護，如果需要，還可以采用寫保護提供密鑰保護，這將永遠不能改變密鑰。只要在設(shè)備制造現(xiàn)場訪問密鑰是安全和可控的，這種保護等級是很有效的。

可以采用不同方法提升密鑰保護等級： a) 由ds2432計算其密鑰；b) 由ds2432在不同場合分階段計算其密鑰；c) 計算密鑰時包含獨一無二的器件id號，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ds2432自己計算其密鑰，只知道計算密鑰的原始數(shù)據(jù)；永遠不會暴露密鑰本身。如果采用第2種方法，密鑰在不同場合分階段計算，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)，主機還需要增加一個計算步驟。但如果一個器件的密鑰被意外發(fā)現(xiàn)，潛在危害卻可降至最低。如果密鑰分階段計算，并且與具體器件相關(guān)(第4種方法)，可獲得最高保護等級。但是，為確保系統(tǒng)保密性，主機和從機一樣需要在不同地點進行設(shè)置。

計算密鑰之前，必須先裝入一個已知數(shù)值作為密鑰。有了這個已知密鑰，必須向四個存儲器頁之一寫入計算新密鑰的32字節(jié)數(shù)據(jù)。接下來，需要向ds2432的暫存器寫入一個局部密鑰。局部密鑰可以是用于計算的存儲器頁碼和獨一無二的器件id號(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計算密鑰，則ds2432啟動sha-1引擎，使用圖10所示的輸入數(shù)據(jù)計算mac。20字節(jié)mac的最低8個字節(jié)自動拷貝到密鑰存儲器地址，立即成為有效密鑰。

結(jié)論

了解安全認證功能并巧妙實現(xiàn)，可提供極具競爭力的優(yōu)勢。認證不但保護了程序代碼，而且公共硬件平臺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)安全性甚至可以實現(xiàn)遠程配置修改，節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時間。從ds2432所展示的功能可以看出，一個小小的硅晶片將對收益產(chǎn)生巨大的影響。