設(shè)計安全否？

設(shè)計安全否？
Is it safe？

Philip Ling
   
對于海外制造來說，設(shè)計的安全性是關(guān)鍵。

對各行各業(yè)來說，失竊都是一個嚴重的問題，但設(shè)計的被盜會造成極大的經(jīng)濟損失；對于資源有限的公司來說，它可能是災(zāi)難性的。
然而，海外制造——人們都知道它本質(zhì)上對設(shè)計的安全性構(gòu)成了威脅——依然存在，部分原因是它使資源有限的公司能角逐全球市場。設(shè)計公司傾向于采用標準化的部件，因而其知識產(chǎn)權(quán)無法從本質(zhì)上深埋到一個芯片中，這一點加深了上述對立的兩方面（設(shè)計安全性的降低與全球市場的競爭力）之間的矛盾。因此，對一個設(shè)計實施逆向工程并生產(chǎn)出功能相同的產(chǎn)品就變得相對容易。
以這種方式盜用IP，是設(shè)計被盜方面的一個例子，令人吃驚的是，在某些領(lǐng)域中，也是可以容忍的。另一種方式則是過度制造——合同承包制造商制造的產(chǎn)品數(shù)量超出客戶要求其制造的數(shù)量，而制造商將多余的產(chǎn)品以較低的價格在“灰色”市場上出售。也許最卑劣的設(shè)計偷竊形式是克隆——不僅僅是功能的復(fù)制，而是設(shè)計的本身的復(fù)制，連最后一個字節(jié)都不放過。然后，利用在公開市場上能合法采購到的部件來繁殖出相應(yīng)的設(shè)計。
上述的最后一種實例對設(shè)計的合法擁有者提出的挑戰(zhàn)也許是最大的，特別是當設(shè)計主要由軟件來定義的時候，因為，要證明發(fā)生了上述有意的欺詐或者專利權(quán)的侵犯是十分困難的。FPGA的制造商們正是將其努力集中在此處，他們現(xiàn)在將對設(shè)計的保護視為一種重要的、體現(xiàn)其鮮明特色的功能特性。
努力的目標正是保護配置的比特流——在基于SRAM的部件中，它將會儲存在一個外部的非易失性存儲中。如果定義配置的比特流在調(diào)往FPGA的途中被截獲，作奸犯科者可以對代碼實施逆向工程，從而獲取設(shè)計，或者，更簡單的是，用它來配置另一種器件，而無需明白它的工作原理。對數(shù)據(jù)進行加密則意味著，當它被截獲時，如果沒有密鑰就毫無意義，設(shè)計的保密性仍得到保證。

代碼的破解
 Xilinx是第一家利用Triple DES（數(shù)據(jù)加密標準）實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的廠商。該標準基于DES而建立，使用了56bit的加密密鑰。它已被軍方和其他領(lǐng)域所采用，時間以長達20年，直到被證明是可以被破解的為止（參見圖框中的背景介紹）。該解決方案是用兩個密鑰將DES重復(fù)3次——3重DES。當Xilinx決定將加密技術(shù)嵌入Virtex II系列中時，這是為人們所接受的、得以應(yīng)用的安全保密標準。各密鑰存儲到器件中的易失性存儲中，這樣做有其自身的考慮。盡管這意味著如有必要可替換密鑰，但也意味著需要采用外部的后備電源（一般是電池），以防備電源被切斷時密鑰不至于丟失。這種方法為Xilinx的競爭者所詬病，但只是到最近一段時間才有人提出了一種替代方案。
去年，Altera推出了Stratix II，它是首款能在FPGA架構(gòu)中以硬連線方式實現(xiàn)先進加密標準（AES）算法的FPGA。這些方法的關(guān)鍵，確切的說，是密鑰——在這個實例中，就是用于對數(shù)據(jù)進行加密的128bit AES密鑰。

背景介紹
AES
根據(jù)美國政府的分類，AES廣泛用于“敏感但不保密”的信息?！奥?lián)邦信息處理標準”公文192公布了相應(yīng)的標準，它通過稱為Rijndael的算法來實現(xiàn)，這種算法從5種算法中選出。
它取代了數(shù)據(jù)加密標準（DES），該標準采用56bit的密鑰。雖然DES存在了接近20年的時間，但并行處理方面的進步使得它最終遭到破解，人們決定，需要采用一種更為安全的標準。
美國國家標準與技術(shù)局的計算機安全資源中心于1999年正式公開征集算法，而最終選中了5種候選方案。所有這些方案的算法采用了塊密碼，也就是說，它們一次對一個數(shù)據(jù)塊進行運算，處理的遍數(shù)預(yù)先給定。AES提供了128、192和256bit的密鑰，雖然大多數(shù)商業(yè)實現(xiàn)方案采用128bit，因為即使這樣的大小，其安全性也比DES要高出許多倍。為了理解這一點，不妨設(shè)想一個強大到足以在1s內(nèi)破解DES密鑰的海量并行處理機（在當今是無法實現(xiàn)的），據(jù)估計，這樣的一臺機器要花上149萬億年才能破解一個128bit的AES密鑰。相比之下，宇宙的壽命也不過有200億年的歷史。

配置代碼的加密通過Altera的編程環(huán)境Quartus II來完成，而密鑰則被燒入器件內(nèi)部只能編程一次的內(nèi)存中。這可以由Altera公司來完成，或者在現(xiàn)場實現(xiàn)，雖然Altera承認，目前是由它來完成這一過程以確保其可靠性。

后勤供應(yīng)方面的惡夢？
這里存在的危險是客戶會大批訂購器件而“丟失”密鑰——使得整批庫存不可用。此外，由于每一個器件采用唯一的一個密鑰，這也使得每個FPGA及其相應(yīng)的配置器件獨一無二——很顯然是一種非常安全的解決方案，但會給后勤供應(yīng)帶來巨大的麻煩。
近來，Actel推出了ProAsic3系列，它還在FPGA架構(gòu)中嵌入了一個128bit密鑰AES解密引擎。該公司相信，這是第一款能提供AES解密的“超值” （低價）FPGA，其安全性功能和低成本的特性使之成為工程師實難割舍的最愛。
基于SRAM的FPGA對AES加密配置數(shù)據(jù)的需求是顯而易見的——配置代碼儲存在芯片之外。而Actel的ProAsic3系列則是基于閃存的，在這種情況下，它的重要性勢必有所降低。不過，Actel的閃存器營銷主管Martin Mason相信：“在基于價值的市場上，安全性更為重要?！?br/>雖然該公司的防熔斷技術(shù)的性能和安全性方面仍然是終極的解決之道，Mason還是宣稱閃存是兩者中成本經(jīng)濟性更好的一種。AES密鑰應(yīng)該在安全的、或者可信任的編程中心中完成編程，可以安全地存儲在專用的、無法被讀取的閃存器中。與其它方案一樣，是由設(shè)計軟件以同一密鑰來進行加密的。
你必須掌握密鑰
Actel系列的一個附加的功能特性是消息的認證控制機制，如果密鑰不匹配的話，它們可以防止配置數(shù)據(jù)對架構(gòu)進行編程。
此外，在AES功能激活以前，以總鑰（pass key）形式還可以實現(xiàn)更高層次的安全性——必須輸入它才能訪問器件。用戶可以用總鑰鎖閉器件或者解鎖器件；器件被鎖住時，無法訪問FPGA，這樣器件寫入、檢驗和擦除等功能都被禁用。該系列產(chǎn)品均不支持回讀（read back）機制。
配置數(shù)據(jù)在本器件內(nèi)進行的加密，將使得克隆變得更為困難，因為，即使作奸者可以獲取配置數(shù)據(jù)，如果沒有正確的密鑰的話，它也是無用的。
雖然芯片廠商們正在試圖從正面解決安全性問題，但開發(fā)者需要完成若干步驟，才能使得軟件也變得更為安全，如電子水印或者嵌入式序列號。不過，歸根結(jié)底，這只是些需要依賴法治手段來維護的、威懾性的措施而已。也許人們真正需要的，是可以運用于外部程序存儲而不會對總的系統(tǒng)性能造成負面影響的AES版本。