基于Blackfin Lockbox的IP保護(hù)技術(shù)

隨著集成電路芯片技術(shù)的飛速發(fā)展、電子產(chǎn)品設(shè)計業(yè)也越來越開放，很多硬件解決方案已經(jīng)成為公開的資料，產(chǎn)品設(shè)計者的核心技術(shù)往往集中在嵌入式軟件內(nèi)。然而，在行業(yè)競爭日益激烈的今天，很多公司發(fā)現(xiàn)自己的產(chǎn)品投放市場后不久就被盜版，對公司造成巨大的損失，因此如何保護(hù)自己的產(chǎn)品已經(jīng)成為嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域一個迫切需要解決的問題。

本文主要介紹了目前一些嵌入式系統(tǒng)中IP保護(hù)的方法，從安全性的角度進(jìn)行了分析，并為產(chǎn)品開發(fā)者介紹基于ADI公司Blackfin處理器Lockbox的IP保護(hù)安全技術(shù)。

一、目前IP保護(hù)的方法

嵌入式系統(tǒng)的IP保護(hù)方法有很多，這些方法通常是從系統(tǒng)級別，硬件設(shè)計級別，芯片級別來防止反向工程或者是盜取IP。

1. 系統(tǒng)級別的IP保護(hù)

系統(tǒng)級別IP保護(hù)的一個典型案例是在產(chǎn)品設(shè)計上嵌入硬件安全芯片，應(yīng)用軟件和該芯片通過密鑰認(rèn)證的方式來控制程序的流程，從而實現(xiàn)軟件保護(hù)，防止軟件被抄襲、篡改。并且利用安全芯片片內(nèi)的自帶的EEPROM，實現(xiàn)用戶關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全存放。

這種通過增加額外芯片的方法具有較高的安全性和實用性，但是增加了一塊芯片，產(chǎn)品的成本增加了，并且系統(tǒng)不能關(guān)閉JTAG, Hacker可以通過JTAG進(jìn)行有效地跟蹤，通過花費一定的時間和精力，可以了解并篡改系統(tǒng)的運行流程，因此在安全性上也存在一定的缺陷。

2. 硬件設(shè)計級別的IP保護(hù)

硬件設(shè)計級別的IP保護(hù)主要是采取一些措施，比如設(shè)計硬件平臺的布線，選取芯片的封裝格式，來防止外部通過儀器測量存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)線或者處理器的管腳來獲取信息。

首先當(dāng)關(guān)鍵信息在外部的存儲器設(shè)備和處理器之間以明文的形式通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，這些數(shù)據(jù)線可以被儀器探測并中途截取，而通過采取一些布線技巧則可以避免，比如，采用多層制板，把電源層和接地層作為外層來屏蔽掉中間的銅層，并把關(guān)鍵的信號線，比如flash的數(shù)據(jù)線，JTAG的信號線放在中間層，以避免關(guān)鍵的信息被儀器探測并讀取。

其次選取小管腳間距的BGA封裝的芯片，把關(guān)鍵的信號管腳設(shè)計在最里側(cè)，這樣的芯片能進(jìn)一步防止企圖通過探測處理器和FLASH，DRAM這樣的存儲芯片之間的信號線來獲取數(shù)據(jù)信息。并且通過在處理器以及存儲芯片之間硬件布線時，盡可能的放得互相接近的位置，可以進(jìn)一步增加探測攻擊關(guān)鍵信號的難度。

通過設(shè)計硬件平臺的布線，選取芯片的封裝形式這些措施能夠有效地防止探測攻擊，但是BGA芯片封裝的選取，多層制板以及布線技巧都會增加硬件平臺的成本。

3. 芯片級別的IP保護(hù)

大多數(shù)的處理器都包含有片內(nèi)的存儲器，比如SRAM， ROM或者是FLASH，這些存儲器很難從芯片外面被讀取，因此可以在這些片內(nèi)的存儲器存放一些關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)，這些片內(nèi)數(shù)據(jù)和代碼，通過一定的技術(shù)，可以限制被外部主機設(shè)備，仿真器或者其他測試設(shè)備通過JTAG測試端口來讀取。

更進(jìn)一步的，可以通過片內(nèi)熔絲，斷掉芯片JTAG管腳的外接來徹底的關(guān)掉JTAG功能，但是這樣將無法進(jìn)行系統(tǒng)出錯分析以及調(diào)試。

同樣，通過片內(nèi)熔絲的方法，可以讓芯片從片內(nèi)的FLASH或者ROM啟動。這些可以把一些帶解密功能的Bootload放在片內(nèi)FLASH中，而在片外SDRAM中放置以密文形式存放的代碼。

我們從安全性，可行性，以及成本三個方面對上述的三種級別的IP保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了比較，如表1-1所示。我們可以看到芯片級別的IP技術(shù)保護(hù)具有較高的安全性、可行性，以及較低的成本，是一種好的IP保護(hù)方式，我們接著要介紹的Analog Device公司的Blackfin處理器提供的Lockbox就是基于芯片級別的安全技術(shù)。

表1-1

二、Lockbox安全技術(shù)介紹

ADI公司Blackfin處理器采用的Lockbox安全技術(shù)是從芯片級別出發(fā)，基于標(biāo)準(zhǔn)算法的數(shù)字簽名認(rèn)證概念，為執(zhí)行代碼與需要保護(hù)的數(shù)據(jù)提供安全處理環(huán)境，從而實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)、電子商務(wù)和社會聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)備和用戶身份的驗證、數(shù)字版權(quán)管理（DRM）等保護(hù)。

首先，Lockbox安全技術(shù)提供單次可編程（OTP）片上存儲器， OTP存儲器分為公有區(qū)域和私有區(qū)域，其公有區(qū)域是公共、非安全、用戶可以無條件訪問的區(qū)域，適合于存儲用于對系統(tǒng)進(jìn)行鑒定的公共密鑰，這樣開發(fā)人員可以用可控制與可配置的方式鑒別系統(tǒng)。OTP存儲器的私有區(qū)域是安全、用戶可編程區(qū)域，并只有系統(tǒng)在進(jìn)入安全模式下才能被訪問的，使開發(fā)人員可以保存私人密鑰等私有設(shè)備資源,并保證這些資源的機密性和完整性。

同時，每一片Blackfin芯片都有一個唯一的CHIP ID，存放在OTP公有區(qū)域的特定某個頁面，系統(tǒng)開發(fā)人員可以充分利用這個芯片編號，實現(xiàn)軟件和硬件平臺的綁定。

其次，Lockbox?安全技術(shù)提供片上的指令ROM存儲器，并把密碼學(xué)的一些標(biāo)準(zhǔn)算法放在指令ROM存儲器里面。在指令ROM存儲器中，提供了經(jīng)過優(yōu)化處理的橢圓曲線數(shù)字簽名（ECDSA）認(rèn)證算法， 該認(rèn)證算法主要是由以下2個密碼學(xué)算法組成，

* 橢圓曲線加密法（ECC）的非對稱密碼算法

* SHA-1安全單向Hash算法

這些算法都是公開的，并且經(jīng)過實踐驗證過的，具有非常高的安全性。ECDSA數(shù)字簽名認(rèn)證主要用來驗證代碼和數(shù)據(jù)來源的可靠性，以及代碼和數(shù)據(jù)的完整性。整個數(shù)字簽名的認(rèn)證流程已經(jīng)固化在Blackfin片內(nèi)的ROM中，系統(tǒng)開發(fā)人員只需要出發(fā)一個相應(yīng)的中斷觸發(fā)即可。Lockbox技術(shù)確保只有成功通過ECDSA數(shù)字簽名的應(yīng)用程序才可以運行在安全模式下，這樣運行在安全模式下面的代碼其來源一定是可靠的，并且沒有被篡改過。

同時，Lockbox的片上ROM里面也提供一些標(biāo)準(zhǔn)的密碼學(xué)算法，AES，RC4算法，這些算法都是經(jīng)過與處理器相關(guān)的性能優(yōu)化，具有較高的處理性能，并以API的形式提供給系統(tǒng)開發(fā)人員使用。

最后，Lockbox安全技術(shù)通過采用軟硬件結(jié)合提供一種安全處理模式（Blackfin安全模式）。正常開機流程下，系統(tǒng)運行在公開模式下，在這種模式下面，系統(tǒng)不能訪問OTP私有區(qū)域，不能控制JTAG的關(guān)閉，只有成功通過ECDSA數(shù)字簽名認(rèn)證的代碼和數(shù)據(jù)才能進(jìn)入安全模式下，在安全模式下，系統(tǒng)才可以動態(tài)控制JTAG的關(guān)閉或打開，訪問OTP私有的存儲區(qū)域，動態(tài)配置片上SRAM的外部DMA訪問控制等各種操作。

這樣在Blackfin處理器進(jìn)入安全模式后，處理器只能在安全處理環(huán)境內(nèi)執(zhí)行授權(quán)的可靠代碼，配置JTAG打開或者關(guān)閉，并與片內(nèi)安全存儲器比如片上SRAM，OTP私有存儲區(qū)域配合使用，進(jìn)一步實現(xiàn)系統(tǒng)機密性。比如通過進(jìn)入安全模式，讀取存在OTP私有區(qū)域的密鑰，來進(jìn)行放在片外的部分關(guān)鍵代碼的解密，并放在片內(nèi)運行，而密碼加密/解密過程只能被身份認(rèn)證成功的用戶看到并使用。當(dāng)用戶不需要運行在安全模式下，可以動態(tài)的退出安全模式，進(jìn)入公開模式。

三、基于Lockbox的IP保護(hù)認(rèn)證技術(shù)

Lockbox提供了一系列的芯片級別的安全技術(shù)，基于這些安全技術(shù)，開發(fā)人員可以設(shè)計靈活的產(chǎn)品IP保護(hù)方案。我們將介紹基于Lockbox上的ECDSA數(shù)字簽名認(rèn)證流程的IP保護(hù)技術(shù)。

Lockbox上的ECDSA數(shù)字簽名產(chǎn)生以及認(rèn)證流程具體分為片外數(shù)字簽名準(zhǔn)備階段和片上數(shù)字簽名認(rèn)證階段。在片外數(shù)字簽名準(zhǔn)備階段，首先通過橢圓曲線加密法（ECC）產(chǎn)生一對非對稱密鑰，公有密鑰和私有密鑰，公有密鑰寫入基于Blackfin處理器終端的OTP公有區(qū)域某個特定的位置，私有密鑰則由產(chǎn)品開發(fā)公司安全保管。對需要認(rèn)證的應(yīng)用程序，通過SHA-1計算產(chǎn)生一個數(shù)字摘要，然后用私有密鑰對數(shù)字摘要進(jìn)行加密，產(chǎn)生一個數(shù)字簽名信息。最后把數(shù)字簽名信息以及對應(yīng)的應(yīng)用程序通過DMA或者其他的方式放入片內(nèi)存儲區(qū)域，觸發(fā)一個相應(yīng)的中斷，由對應(yīng)的已經(jīng)寫入片內(nèi)ROM的中斷處理程序（ECDSA數(shù)字簽名認(rèn)證算法）將會自動地進(jìn)行數(shù)字簽名認(rèn)證。

在片上的數(shù)字簽名認(rèn)證階段，中斷處理程序通過讀出OTP存儲器中的公有密鑰對數(shù)字簽名信息進(jìn)行解密，得到一個解密后的數(shù)字摘要，同時，對片上的應(yīng)用程序進(jìn)行SHA-1的數(shù)字摘要計算，并與解密后的數(shù)字摘要進(jìn)行比較，如果相等，則數(shù)字簽名認(rèn)證成功，表明，片上的應(yīng)用程序來源得到驗證，并且確認(rèn)片上的應(yīng)用程序的內(nèi)容不會以任何方式被改變，從而對應(yīng)用程序的完整性進(jìn)行檢驗。

經(jīng)過ECDSA數(shù)字簽名成功認(rèn)證的應(yīng)用程序?qū)@得系統(tǒng)運行權(quán)，并運行在Blackfin提供的安全模式下，控制整個系統(tǒng)的安全訪問，比如可以關(guān)閉JTAG和片上SRAM的外部DMA訪問，讀取預(yù)先存放在OTP私有區(qū)域的AES 密鑰，調(diào)用AES解密算法解密放在片外的預(yù)先經(jīng)過加密的部分代碼和數(shù)據(jù)，并把解密后的明文放在片內(nèi)運行，以實現(xiàn)代碼的機密性，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的IP保護(hù)，當(dāng)機密性的代碼運行完畢以后，可以通過調(diào)用系統(tǒng)提供的清除函數(shù)，清除當(dāng)前的關(guān)鍵信息，退回到公開模式下面運行。系統(tǒng)也可以根據(jù)需要，多次靈活地進(jìn)入和退出安全模式。

由此可見，基于Blackfin Lockbox的安全技術(shù)可以從以下三個方面來提供安全特性。

* 真實性/來源驗證

Lockbox安全技術(shù)支持對一段應(yīng)用程序的數(shù)字簽名進(jìn)行驗證，來確認(rèn)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)來源的真實性。

* 完整性

開發(fā)人員可使用數(shù)字簽名認(rèn)證技術(shù)來確保存儲介質(zhì)的消息或內(nèi)容不會以任何方式被改變。利用Lockbox數(shù)字簽名鑒定的真實性可以對完整性進(jìn)行檢驗。

* 機密性

在安全模式下面，加密/解密服務(wù)能防止未經(jīng)批準(zhǔn)的用戶看到并使用特定數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品設(shè)計者可以根據(jù)自己的系統(tǒng)安全性的需要，靈活的運用這些芯片級別的安全技術(shù)，設(shè)計出具有良好安全魯棒性的產(chǎn)品，實現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品的IP保護(hù)。

結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)可以通過采用各種安全技術(shù)，從不同的級別來增加系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)IP保護(hù)。基于處理器級別的安全技術(shù)能夠從系統(tǒng)設(shè)計一開始就引入安全性的考慮，使系統(tǒng)具有更強的魯棒性。Blackfin處理器提供的Lockbox安全技術(shù)的能夠從系統(tǒng)的來源性，完整性，機密性提供全方位的安全保護(hù)，不僅可以應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的IP保護(hù)中，而且也可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)的安全傳輸，電子商務(wù)的身份認(rèn)證、數(shù)字版權(quán)管理（DRM）內(nèi)容保護(hù)等各種應(yīng)用場景中。