基于1-Wire總線的DS28E01加密芯片原理研究及其在FPGA加密系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　FPGA的應(yīng)用越來越廣泛，但也出現(xiàn)了一個問題，那就是FPGA設(shè)計(jì)的產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的工作原理是在系統(tǒng)上電時將片外PROM中的BIT數(shù)據(jù)流加載到片內(nèi)的SRAM中，完成對FPGA的編程，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的不同功能，即所謂的可重構(gòu)技術(shù)。這就使得監(jiān)測FPGA加載管腳的數(shù)據(jù)流就可實(shí)現(xiàn)對FPGA功能設(shè)計(jì)的復(fù)制。因此非常有必要采用加密的技術(shù)來保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識產(chǎn)權(quán)。美國Dallas公司生產(chǎn)的DS28E01就是這樣的一款采用1-Wire總線的加密產(chǎn)品。

　　1 DS28E01芯片介紹

　　DS28E01采用1-Wire總線串行傳送數(shù)據(jù)，只需要一根數(shù)據(jù)線和一根地線，最大限度地節(jié)省了對被加密器件I/O管腳的占用。DS28E01將1024位EEPROM與符合ISO/IEC110118-3 SHA-1算法的質(zhì)詢響應(yīng)安全認(rèn)證結(jié)合在一起。該器件能夠處理64位或320位長密鑰、40位長隨機(jī)質(zhì)詢碼和器件其它數(shù)據(jù)的SHA-1計(jì)算，以提供它和被加密器件之間更高級的安全認(rèn)證。1024位的EEPROM分為4頁，每頁256位，帶64位暫存器以執(zhí)行寫操作。

　　SHA-1算法是HASH函數(shù)算法中的一種，是一種單向密碼體制。它通過直接構(gòu)造復(fù)雜的非線性關(guān)系達(dá)到從明文到密文的不可逆映射。具有“防碰撞”以及良好的“雪崩效應(yīng)”，防止了盜竊者利用相似的輸入來達(dá)到破解密碼的可能性。

　　DS28E01包括6個主要數(shù)據(jù)部件：1)64位光刻碼， 2)64位暫存器，3)四個EEPROM頁，每頁256位，4)寄存器頁，5)64位密鑰存儲器，6)512位SHA(安全散列算法)引擎。

　　1-Wire 協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)中，主機(jī)必須首先發(fā)送以下七條ROM操作命令中的一條：1) Read ROM，2) Match ROM，3) Search ROM，4) Skip ROM，5) Resume ommunication，6) Overdrive-Skip ROM，7) Overdrive-Match ROM。當(dāng)以標(biāo)準(zhǔn)速度執(zhí)行完Overdrive ROM 命令后，器件進(jìn)入高速模式，所有后續(xù)通信均以高速模式進(jìn)行。成功執(zhí)行完ROM操作命令后，就可以進(jìn)行存儲器和SHA-1操作，主機(jī)可發(fā)出9條有效功能命令中的任一條。

　　2 DS28E01基于1-Wire總線進(jìn)行FPGA加密的工作原理

　　圖1是利用DS28E01加密用戶FPGA設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。DS28E01通過1-Wire總線和FPGA相連，F(xiàn)PGA內(nèi)嵌一個SHA-1引擎和DS28E01握手。引擎中攜帶有和DS28E01相同的密鑰，這是由用戶預(yù)先配置好的。1-Wire總線上必須外接一個不大于2.2kΩ的上拉電阻。

　　具體的加密工作原理如下：

　　1.上電后，PROM中的用戶設(shè)計(jì)被下載到FPGA中。此時FOE=1，用戶設(shè)計(jì)處于關(guān)閉狀態(tài)。

　　2.FPGA中的SHA-1引擎產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)，通過1-Wire總線發(fā)送給DS28E01。

　　3.FPGA中的SHA-1引擎通過1-Wire總線讀取DS28E01的器件序列號。

　　4.DS28E01利用僅僅對用戶開放的密鑰、器件序列號、隨機(jī)數(shù)、附加常數(shù)等通過SHA-1算法來產(chǎn)生一個160位的MAC值。同時FPGA中的SHA-1引擎此時也利用相同的信息通過SHA-1計(jì)算來得到相同的160位MAC值。

　　5.FPGA中的SHA-1引擎通過1-Wire總線讀取DS28E01計(jì)算出來的160位MAC值。

　　6.在FPGA的SHA-1引擎中比較兩個160位的MAC值，如果相同則FOE=0，用戶設(shè)計(jì)功能被打開。

　　按照這樣的過程即只有SHA-1引擎中的密鑰和DS28E01中的密鑰完全相同時，用戶設(shè)計(jì)才會開放，這樣就可完成對用戶設(shè)計(jì)的IP產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

　　3 通過1-Wire總線訪問DS28E01的協(xié)議分析

　　3.1 通過1-Wire訪問DS28E01的協(xié)議如下：

　　1.初始化命令;

　　2.ROM功能命令;

　　3.存儲器/SHA-1命令;

　　4.根據(jù)命令數(shù)據(jù)的輸入輸出。

　　要通過1-Wire總線訪問DS28E01，總線上的數(shù)據(jù)必須滿足協(xié)議要求，并符合1-Wire的時序。Wire總線上所有的傳輸操作均從初始化過程開始。初始化過程由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機(jī)發(fā)出的在線應(yīng)答脈沖組成。在線應(yīng)答脈沖通知主機(jī)DS28E01掛接在總線上，并且已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。

　　一旦主機(jī)檢測到在線應(yīng)答脈沖，就可以發(fā)出DS28E01支持的七條ROM 功能命令中的一條：1) Read ROM，2) Match ROM，3) Search ROM，4) Skip ROM，5) Resume Communication，6) Overdrive-Skip ROM，7) Overdrive-Match ROM。

　　成功執(zhí)行完ROM操作命令后，就可以進(jìn)行存儲器和SHA-1操作，F(xiàn)PGA中的SHA-1引擎可發(fā)出9條有效功能命令中的任一條：1)Write Scratchpad,2) Read ScratchPad,3) Load first Secret,4)Compute Next Secret,5)Copy ScratchPad,6) Read AuthPage,7)Anonymous Read Auth.Page, 8) Read Memory ,9)Refresh ScratchPad。

　　3.2 1-Wire 信令

　　為了保證數(shù)據(jù)的完整性，DS28E01具有嚴(yán)格的信號協(xié)議。該協(xié)議在一條線上定義了四種類型的信號：包括復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖的復(fù)位序列、寫0、寫1 和讀數(shù)據(jù)。除在線應(yīng)答脈沖以外，所有其它信號下降沿均由總線主機(jī)發(fā)出。DS28E01 能夠以兩種不同速率通信：標(biāo)準(zhǔn)速率和高速模式。如果沒有明確設(shè)定為高速模式，DS28E01就以標(biāo)準(zhǔn)速率通信。高速模式下，所有波形均采用快速定時。啟動與DS28E01的任何通信都需要初始化過程。

　　3.3 1-Wire總線上的DS28E01加密指令說明

　　DS28E01提供7條ROM指令和9條MEM指令，在FPGA加密系統(tǒng)中一般只用到幾條就夠了。

　　根據(jù)FPGA加密原理所述，F(xiàn)PGA中SHA-1引擎所使用的密鑰是由設(shè)計(jì)者預(yù)先配置好的，DS28E01中的密鑰也是由設(shè)計(jì)者在出廠前通過燒寫器寫好的。為了完成加密過程，F(xiàn)PGA中的SHA-1引擎只需要對DS28E01進(jìn)行3個操作過程即可：1)寫隨機(jī)數(shù)，2)讀DS28E01器件ID，3)讀DS28E01 SHA-1運(yùn)算結(jié)果，即160位的MAC值。

　　3.3.1 寫隨機(jī)數(shù)

　　指令格式和時序分析波形如圖2 所示，F(xiàn)PGA先發(fā)送ROM命令碼Skip ROM(CCH)，接著發(fā)送MEM命令碼Write Scratchpad(0F)以及目標(biāo)地址。

　　RST為FPGA產(chǎn)生的1-Wire復(fù)位脈沖，PD為DS28E01產(chǎn)生的在線應(yīng)答脈沖，Select是ROM功能命令，WSP為MEM功能命令，TA是目標(biāo)地址TA1和TA2，之后為要寫入的64位隨機(jī)數(shù)，之后是從Select命令到隨機(jī)數(shù)所有字節(jié)的8位的CRC16校驗(yàn)值的反碼，其后是無效的數(shù)據(jù)FF。每個字段的數(shù)據(jù)都是低位在前傳輸。以下所有命令格式都類似。

　　1-Wire總線上數(shù)據(jù)如圖中ibo所示,data為將1-Wire總線數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議正序并轉(zhuǎn)成為并行數(shù)據(jù)，Select=CCh、WSP=0Fh，TA=8000h，64位隨機(jī)數(shù)為40h、70h、BEh、3Dh、78h、95h、F7h、D8h，8位CRC16校驗(yàn)的反碼為85h。

　　3.3.2 讀DS28E01器件ID

　　指令格式和時序分析波形如圖3 所示，F(xiàn)PGA發(fā)送ROM命令碼Read ROM(33H)，此條命令允許主機(jī)讀取DS28E01的八位家族碼，48位唯一序列號和8位CRC校驗(yàn)碼。

　　1-Wire總線上數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議被正序并行化后在圖3波形中顯示為：Select=33h、8位家族碼為2Fh、48位唯一的器件ID=00000022FCD0h，8位CRC16校驗(yàn)的反碼=99。

　　3.3.3 讀160位MAC碼

　　指令格式和時序分析波形如圖4 所示。 FPGA先發(fā)送ROM命令碼Skip ROM(CCH)，接著發(fā)送MEM命令碼Write Scratchpad(A5)以及目標(biāo)地址，之后，F(xiàn)PGA將接收DS28E01中從目標(biāo)地址開始到數(shù)據(jù)頁末尾存儲器頁中數(shù)據(jù)，一個FFh 字節(jié)和CRC反碼。 CRC校驗(yàn)碼接收完畢后，F(xiàn)PGA等待一段時間。此時， DS28E01中的SHA 引擎利用相同的密鑰、隨機(jī)數(shù)、附加數(shù)據(jù)及器件識別號來計(jì)算160位的MAC。等待SHA-1運(yùn)算周期結(jié)束后，就可讀到160位MAC，隨后是CRC反碼。如果在CRC 校驗(yàn)碼后主機(jī)繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，將會到讀到無效數(shù)據(jù)AAh。

　　從圖4中我們可以看到，當(dāng)讀到AAh時，F(xiàn)OE=0，這表明加密芯片計(jì)算的MAC值與FPGA中SHA-1引擎計(jì)算的MAC值一致。用戶設(shè)計(jì)將開始工作，至此加密過程全部結(jié)束。

　　5 FPGA驗(yàn)證和結(jié)論

　　本加密系統(tǒng)在Xilinx公司 Spartan-6的XA6SLX45-3上進(jìn)行了FPGA驗(yàn)證。FPGA中的SHA-1引擎采用了Xilinx公司提供的免費(fèi)IP。采用Verilog語言完成了1-Wire總線的相關(guān)分析功能的設(shè)計(jì)。調(diào)試中使用了Xilinx公司的硬件Debug軟件ChipScope，抓出了1-Wire總線的相關(guān)波形，完成了時序分析。最后該加密系統(tǒng)成功應(yīng)用于西安某知名IC設(shè)計(jì)公司的一款FPGA推廣產(chǎn)品中?？梢钥闯觯贗C設(shè)計(jì)競爭日益強(qiáng)烈的今天，利用FPGA加密系統(tǒng)來保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，為公司產(chǎn)品搶占市場先機(jī)是IC設(shè)計(jì)的必由之路。

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