引言

　　為了滿足智能卡和可信計(jì)算應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款專用SoC芯片。該芯片由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及管理模塊、安全邏輯模塊、密碼服務(wù)模塊、輔助功能模塊、I／0接口組成，能為各種安全應(yīng)用提供機(jī)密性、完整性和身份認(rèn)證等多種密碼服務(wù)，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問(wèn)控制、安全計(jì)算等應(yīng)用。

　　專用SoC芯片的安全控制架構(gòu)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)對(duì)芯片的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析，得到芯片的威脅模型與部署模型，即芯片的潛在攻擊者和可能的攻擊方式，以及芯片的生產(chǎn)、運(yùn)輸、研發(fā)和使用等環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題；其次是根據(jù)芯片安全要求與功能規(guī)范，通過(guò)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方式，設(shè)置相關(guān)硬件邏輯、狀態(tài)寄存器和參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)安全策略的軟件控制流程；最后對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析、仿真驗(yàn)證與FPGA測(cè)試。

　　1 芯片系統(tǒng)安全體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于芯片系統(tǒng)的生產(chǎn)與應(yīng)用實(shí)際，根據(jù)受保護(hù)資產(chǎn)對(duì)芯片安全性影響重要程度和信息技術(shù)安全性*估準(zhǔn)則，芯片的受保護(hù)資產(chǎn)可設(shè)計(jì)為如下3種安全級(jí)別。

　　0級(jí)資產(chǎn)：O層代碼的完整性與可信性，0層數(shù)據(jù)（LEVEL0）的機(jī)密性、完整性和可信性，以及芯片各模塊功能正確性。0級(jí)資產(chǎn)是芯片系統(tǒng)的安全基礎(chǔ)，對(duì)任一項(xiàng)的保護(hù)失敗均將導(dǎo)致整個(gè)芯片系統(tǒng)拒絕提供任何服務(wù)。

　　1級(jí)資產(chǎn)：1層代碼的完整性與可信性，1層數(shù)據(jù)（LEVEL1）的機(jī)密性、完整性和可信性。1級(jí)資產(chǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行的核心控制態(tài)和2級(jí)資產(chǎn)的安全基礎(chǔ)，對(duì)1級(jí)資產(chǎn)的保護(hù)失敗將禁止本層代碼及2層代碼的執(zhí)行。

　　2級(jí)資產(chǎn)：2層代碼完整性與可信性，2層數(shù)據(jù)（LEVEL2）的機(jī)密性、完整性和可信性。2級(jí)資產(chǎn)是芯片系統(tǒng)最上層的受保護(hù)資產(chǎn)，對(duì)本級(jí)資產(chǎn)的保護(hù)失敗會(huì)導(dǎo)致本層代碼被禁止運(yùn)行。2級(jí)資產(chǎn)在芯片系統(tǒng)中可以同時(shí)存在多個(gè)，但每一時(shí)刻只有1個(gè)投入運(yùn)行。

　　1．1 芯片系統(tǒng)安全狀態(tài)設(shè)計(jì)

　　芯片加電運(yùn)行后，通過(guò)執(zhí)行一系列的命令，獲得不同的安全權(quán)限，從而也處于某一特定的安全狀態(tài)。

　　ST1：出廠初始狀態(tài)。在信任制造商前提下，芯片在出廠初始狀態(tài)是可以信賴的。初始狀態(tài)是芯片的可信基。

　　ST2：芯片使能狀態(tài)。首次加電時(shí)，上電自檢及傳輸安全認(rèn)證通過(guò)后，芯片所處的狀態(tài)。芯片在驗(yàn)證各功能模塊正確，且。層代碼、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)通過(guò)后，接收傳輸過(guò)程安全認(rèn)證命令，并利用開發(fā)商與制造商的共享秘密，在允許的認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)對(duì)芯片進(jìn)行真實(shí)性認(rèn)證。

　　ST3：芯片激活狀態(tài)。處于使能狀態(tài)下的芯片，允許開發(fā)商通過(guò)用戶創(chuàng)建命令完成用戶創(chuàng)建。在這一過(guò)程中，芯片對(duì)開發(fā)商身份的合法性認(rèn)證依賴于傳輸安全認(rèn)證時(shí)的共享秘密。用戶創(chuàng)建完成后，置位芯片激活狀態(tài)標(biāo)識(shí)與所有權(quán)獲得標(biāo)識(shí)。再次啟動(dòng)時(shí)，對(duì)開發(fā)商的身份合法性認(rèn)證依賴于輸入的共享秘密，以及開發(fā)商創(chuàng)建的用戶密鑰。

　　ST4：1層代碼下載允許狀態(tài)。為滿足芯片使用靈活性的要求，芯片的1層代碼可由開發(fā)商進(jìn)行配置。代碼下載需對(duì)下載命令的發(fā)起者進(jìn)行身份認(rèn)證，在允許認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)，若身份認(rèn)證正確，則置位1層代碼下載允許標(biāo)識(shí)，芯片進(jìn)入1層代碼（芯片操作系統(tǒng)）下載允許狀態(tài)。

　　ST5：1層代碼下載完成狀態(tài)。在下載控制程序的控制下，完成1層代碼下載。下載完成后，下載控制程序調(diào)用SHA1模塊，對(duì)1層代碼進(jìn)行完整性度量與存儲(chǔ)，并與輸入的下載代碼完整性信息進(jìn)行比較。若完整性驗(yàn)證正確，則置位1層代碼使能標(biāo)識(shí)位。

　　ST6：1層代碼運(yùn)行狀態(tài)。芯片系統(tǒng)可以由ST3和ST5轉(zhuǎn)入1層代碼運(yùn)行狀態(tài)。在進(jìn)入此狀態(tài)前，需判斷1層代碼使能標(biāo)識(shí)是否有效，并在驗(yàn)證1層代碼及數(shù)據(jù)完整性正確后進(jìn)入代碼運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)程序完成預(yù)定功能。

　　ST7：2層代碼（用戶應(yīng)用程序）下載允許狀態(tài)。2層代碼的下載與調(diào)用均在1層代碼監(jiān)控下完成。在1層代碼運(yùn)行狀態(tài)下，若用戶輸入2層代碼下載命令，1層代碼首先認(rèn)證代碼下載命令發(fā)起者身份。在允許的認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)，若身份認(rèn)證正確，則置位本層敏感信息存儲(chǔ)器中的2層代碼下載允許標(biāo)識(shí)位，芯片進(jìn)入2層代碼下載允許狀態(tài)。

　　ST8：2層代碼下載完成狀態(tài)。與1層代碼的下載過(guò)程相同，通過(guò)調(diào)用下載控制程序，完成2層代碼的下載。下載完成后，1層代碼對(duì)2層代碼進(jìn)行完整性度量與存儲(chǔ)，對(duì)比驗(yàn)證輸入的完整性信息。若完整性驗(yàn)證正確，置位LEVEL1中的2層代碼使能標(biāo)識(shí)位。

　　ST9：2層代碼運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)2層代碼和數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證正確后，芯片系統(tǒng)可以由ST6和ST8轉(zhuǎn)入2層代碼運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)2層代碼使能標(biāo)識(shí)有效時(shí)，芯片系統(tǒng)可以在ST6或ST8下，通過(guò)層次跳轉(zhuǎn)指令，進(jìn)入2層代碼運(yùn)行狀態(tài)。在ST6狀態(tài)下，芯片系統(tǒng)還可通過(guò)調(diào)用2層代碼來(lái)完成其相應(yīng)運(yùn)算與控制功能。與層次跳轉(zhuǎn)進(jìn)入ST9不同的是，通過(guò)調(diào)用2層代碼來(lái)完成其相應(yīng)功能時(shí)，在2層代碼執(zhí)行完畢后，芯片系統(tǒng)可以返回到ST6。而通過(guò)層次跳轉(zhuǎn)命令進(jìn)入 ST9時(shí)，完成規(guī)定的功能后，芯片系統(tǒng)保持在ST9，或者通過(guò)系統(tǒng)復(fù)位返回ST3，不允許其返回ST6。

　　1．2 狀態(tài)位與控制參數(shù)設(shè)置

　　為實(shí)現(xiàn)上述各狀態(tài)之間的正常跳轉(zhuǎn)，芯片系統(tǒng)需要設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)位與控制參數(shù)，以寄存芯片運(yùn)行時(shí)的控制信息和工作狀態(tài)。狀態(tài)位與控制參數(shù)設(shè)置是芯片安全體系結(jié)構(gòu)建立的基礎(chǔ)，基于芯片的權(quán)限狀態(tài)劃分，參照TPM與ATMELSC系列安全芯片對(duì)狀態(tài)位與控制參數(shù)的配置，將LEVEL0作為專用SoC芯片狀態(tài)位與控制參數(shù)的存儲(chǔ)區(qū)，其具體設(shè)置如表1所列。

　　表1 LEVEL0狀態(tài)位與控制參數(shù)配置表

　　在表1中，OTP（One Time Programmer）區(qū)是一次性編程區(qū)，用于芯片一次性設(shè)置的權(quán)限標(biāo)識(shí)與狀態(tài)留證。STATE為系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)識(shí)，用于標(biāo)識(shí)芯片當(dāng)前的權(quán)限狀態(tài)信息。OTP 與STATE中各位的作用與位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示，其中各位均為高電平有效。

　　表2 OTP與STATE中狀態(tài)位功能表

　　M_AUTH為制造商與開發(fā)商的共享秘密，M_PUBKEY為制造商公鑰，SN為產(chǎn)品序列號(hào)，它們共同用于芯片的傳輸過(guò)程安全認(rèn)證。 EK（Endors- ement Key）為芯片系統(tǒng)的身份認(rèn)證密鑰對(duì)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，芯片通過(guò)調(diào)用EK私鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，以表明自身的合法身份。AIK（Attes-tation Identity Key）為開發(fā)商身份認(rèn)證密鑰對(duì)，在用戶身份創(chuàng)建過(guò)程中由片內(nèi)隨機(jī)數(shù)與RSA算法IP核生成，用于用戶的身份認(rèn)證。PCR（Pla-tform. Configuration Register）是平臺(tái)配置完整性寄存區(qū)。為滿足專用SoC芯片在進(jìn)行FPGA測(cè)試時(shí)對(duì)芯片系統(tǒng)的硬件規(guī)模限制，暫時(shí)為芯片系統(tǒng)配置了8個(gè)PCR，每個(gè) PCR寄存器為20個(gè)字節(jié)。除PCR6和PCR7外，其余各PCR寄存器存儲(chǔ)信息的表達(dá)式如下所示。

　　PCR0 = SHA1（DOWNLOAD）

　　PCR1 = SHA1（LEVEL0）

　　PCR2 = SHA1（COS）

　　PCR3 = SHA1（APPLI）

　　PCR4 = SHA1（LEVEL1）

　　PCR5 = SHA1（LEVEL2）

　　DIR（Data Integrity Register）是芯片系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性寄存器，寄存芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)與代碼的完整性信息，具體設(shè)計(jì)時(shí)，為芯片系統(tǒng)配置了3個(gè)DIR，分別存儲(chǔ)三個(gè)層次的數(shù)據(jù)與代碼的完整性，各DIR寄存器存儲(chǔ)信息的表達(dá)式如下。

　　DIR0 = SHA1（PCR0||PCR1）

　　DIR1 = SHA1（DIR1||PCR2||PCR4）

　　DIR2 = SHA1（DIR1||DIR2||PCR3||PCR5）

　　USER_AUTH為用戶與芯片系統(tǒng)的共享認(rèn)證秘密，在用戶創(chuàng)建時(shí)通過(guò)相應(yīng)命令輸入，完成用戶的身份合法性驗(yàn)證。ERROR_SIG為認(rèn)證錯(cuò)誤次數(shù)寄存器，用于芯片系統(tǒng)對(duì)字典攻擊的防護(hù)。ATTACK_EVI是攻擊留證寄存器，對(duì)芯片系統(tǒng)所遭受的物理攻擊次數(shù)與方式進(jìn)行寄存。