本應用筆記介紹了FPGA （現(xiàn)場可編程門陣列）及其如何保護系統(tǒng)的關鍵功能和知識產(chǎn)權(quán)（IP）。本文探討了IP保護的各種途徑。SHA-1質(zhì)詢-響應認證被認為是最安全的方法。本文提出了一種能夠保護基于SRAM的FPGA設計IP的高性價比認證方案。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)應用的靈活解決方案。隨著FPGA邏輯復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)關鍵功能（即知識產(chǎn)權(quán)，IP）。

　　如今，設計者可以選擇FPGA，利用各種技術保護配置數(shù)據(jù)—OTP （一次性可編程）反熔絲、基于閃存的可重復編程存儲單元以及可重復編程、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”硅體并使安全機制失效1，否則數(shù)據(jù)遭到破壞的可能性非常低（關于FPGA的簡要背景資料，請參考附錄A，F(xiàn)PGA工藝及相關事項）。

　　然而，基于靜態(tài)RAM （SRAM）的FPGA幾乎沒有任何安全措施保護IP （配置數(shù)據(jù)），防止數(shù)據(jù)被非法復制和剽竊。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，缺乏一定的安全機制保護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數(shù)據(jù)，防止人為復制配置數(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)”還是非法獲得的復本，配置數(shù)據(jù)所包含的IP完全不受保護。

　　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

　　在沒有比特流加密的情況下，基于SRAM的FPGA設計特別容易被盜版?？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，對原始設計進行克隆。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備（多于授權(quán)數(shù)量）進行編程并自行銷售，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，會嚴重影響公司效益。

　　在一定程度上提高基于SRAM的FPGA設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)流進行部分逆向工程，仍有可能非法侵入機頂盒以竊取服務或篡改交通工具的動力設置，導致原廠的責任問題。

　　設計挑戰(zhàn)

　　為了防止系統(tǒng)成本劇增，設計人員還必須繼續(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：認證

　　認證過程的目的是在兩個或多個實體之間建立標識驗證?；诿荑€的認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，信息接收方進行相同的計算并將其計算的MAC與隨信息傳送的MAC進行比較。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，并且被誤認為是經(jīng)過認證的。如果MAC計算包含了由MAC接收方選擇的隨機質(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。

　　圖1. 質(zhì)詢-響應認證過程驗證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，則可以確認其已知密碼并被視為可靠。這個過程稱為質(zhì)詢- 響應認證（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)過仔細審議并被國際認可的一種單向散列算法是SHA-1，這種算法由美國國家標準技術研究所（NIST）開發(fā)。SHA-1已經(jīng)納入國際標準ISO/IEC 10118-3:2004。

　　通過NIST網(wǎng)站可以查詢SHA-1算法的數(shù)學依據(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：輸入的任何改變都將導致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定，SHA-1成為安全存儲器質(zhì)詢-響應認證的最佳選擇。