利用CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全功能

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者：寶興達(dá)   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月26日

    PC軟件的盜版一直是困擾軟件行業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題，同樣，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，隨著近些年黑客技術(shù)和芯片解剖技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)所面臨的攻擊也越來(lái)越多，隨之而生的防抄板技術(shù)也引起了產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的重視。

    產(chǎn)品設(shè)計(jì)者目前所面臨的問(wèn)題主要是黑客對(duì)產(chǎn)品的仿制，其目的是獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)或者降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，攻擊手段主要是抄襲產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的線(xiàn)路板布線(xiàn)圖和拷貝獲得產(chǎn)品運(yùn)行程序。

    目前市場(chǎng)通用的ARM，DSP、單片機(jī)通常的安全防護(hù)手段很少，更多的程序暴露在透明的Flash或EEPROM中，面對(duì)不斷發(fā)展的攻擊技術(shù)以及黑客之間的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品的破解時(shí)間和成本越來(lái)越低，相對(duì)于產(chǎn)品仿制者獲得的巨大利益，有時(shí)其破解成本甚至可以忽略不計(jì)。尤其在一些非行業(yè)用戶(hù)的產(chǎn)業(yè)，如游戲機(jī)業(yè)，消費(fèi)電子業(yè)，甚至出現(xiàn)了仿制產(chǎn)品大大多于自有產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的現(xiàn)象。因此，如何保護(hù)自身的利益，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者目前經(jīng)常面對(duì)的問(wèn)題，魔道相爭(zhēng)，也促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)防抄板技術(shù)的發(fā)展。

    嵌入式系統(tǒng)更高的防護(hù)技術(shù)意味著更高的成本，但對(duì)于受到攻擊的產(chǎn)品而言，往往是產(chǎn)銷(xiāo)量大的消費(fèi)電子產(chǎn)品，為增加防護(hù)技術(shù)所增加的產(chǎn)品成本會(huì)削弱產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)能力，因此，市場(chǎng)上流行的防抄板安全技術(shù)及產(chǎn)品多屬于低成本的解決方案。下文將對(duì)這些主流方案做一些技術(shù)解析。

    1、 早期的口令認(rèn)證防護(hù)技術(shù)

    幾年以前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者通常使用一個(gè)邏輯加密卡芯片來(lái)給產(chǎn)品定義唯一序列號(hào)或者存儲(chǔ)序列號(hào)，這種邏輯加密存儲(chǔ)器必須通過(guò)口令認(rèn)證后才能進(jìn)行讀寫(xiě)，這種防護(hù)技術(shù)面對(duì)黑客的示波器，口令和明文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可輕易被獲得，防護(hù)技術(shù)已經(jīng)完全失效和過(guò)時(shí)。

    2、 動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證防護(hù)技術(shù)

    為了避免線(xiàn)路監(jiān)控固定口令的缺陷，一些防護(hù)芯片采用動(dòng)態(tài)口令技術(shù)，基本原理是防護(hù)芯片和MCU內(nèi)置相同的密鑰和相同的對(duì)稱(chēng)算法，利用隨機(jī)數(shù)作為通訊數(shù)據(jù)，MCU判斷防護(hù)芯片的計(jì)算結(jié)果正確與否，來(lái)決定程序是否繼續(xù)運(yùn)行。這種產(chǎn)品和技術(shù)解決了認(rèn)證過(guò)程線(xiàn)路監(jiān)控的問(wèn)題，但實(shí)際防護(hù)作用微乎其微。因?yàn)镸CU本身沒(méi)有硬件防護(hù)功能才選用防護(hù)芯片，而這種防護(hù)芯片的硬件安全性甚至不如MCU,其內(nèi)部存儲(chǔ)的密鑰可以很容易的被獲取。更重要的一點(diǎn)，MCU在安全防護(hù)上僅僅做了一個(gè)認(rèn)證流程，可以很容易地被能夠修改程序的黑客輕松跳過(guò)。目前市場(chǎng)上這種芯片的銷(xiāo)量雖然很大，但缺乏真正防護(hù)效果，實(shí)際上無(wú)償增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的成本。

    3、 動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證＋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

    為了解決僅僅簡(jiǎn)單認(rèn)證的問(wèn)題，有些公司繼續(xù)使用安全存儲(chǔ)技術(shù)，防護(hù)芯片內(nèi)置動(dòng)態(tài)口令和認(rèn)證算法，并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，首先使用復(fù)雜的動(dòng)態(tài)雙向認(rèn)證技術(shù)，獲得存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)權(quán)限，然后讀寫(xiě)敏感的數(shù)據(jù)信息。這種防護(hù)芯片，硬件具有一定的安全性，因此具有一定的防護(hù)作用。但是MCU端的安全性并沒(méi)有解決，黑客可以通過(guò)攻擊MCU端的程序獲取算法和密鑰，通過(guò)認(rèn)證后監(jiān)控讀寫(xiě)通道獲取敏感數(shù)據(jù)，因此其安全性也受到了一定的局限。 

采用CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)的功能示意圖。

    4、 CPU卡通用COS保護(hù)技術(shù)

    CPU卡在SIM領(lǐng)域和金融領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得其安全性得到了很大的認(rèn)知。金融應(yīng)用以及SIM卡巨大的發(fā)卡量所帶來(lái)的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，使CPU卡面臨的安全挑戰(zhàn)是最大的，因此CPU卡的硬件安全防護(hù)技術(shù)是比較全面的，而且在不斷的升級(jí)，國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)也有針對(duì)CPU卡的安全認(rèn)證，其認(rèn)證費(fèi)用非常昂貴，使得CPU卡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)商往往是國(guó)際性的大公司，這也增加了人們對(duì)CPU卡的信任。

    目前常用CPU卡的安全性往往體現(xiàn)在硬件和軟件兩個(gè)方面：

    CPU卡的硬件設(shè)計(jì)通常增加了很多的傳感器，如高壓和低壓傳感器，頻率傳感器、濾波器、光傳感器、脈沖傳感器、溫度傳感器等，這些傳感器可以清晰地感覺(jué)到外部環(huán)境的變化，可以有效防止黑客利用改變硅片外部環(huán)境而誘導(dǎo)芯片誤感應(yīng)的半入侵攻擊。為了對(duì)付物理攻擊，CPU卡在芯片內(nèi)部對(duì)存儲(chǔ)器和總線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行加密，存在芯片上的數(shù)據(jù)本身用強(qiáng)大的密碼算法進(jìn)行加密，即便是攻擊者能夠得到這些數(shù)據(jù)，也只能獲得無(wú)用的信息。另一方面，采用有效的屏蔽網(wǎng)對(duì)攻擊者構(gòu)成有效的屏障。采用微米級(jí)的超細(xì)保護(hù)線(xiàn)來(lái)覆蓋安全控制器。這些保護(hù)線(xiàn)被連續(xù)地監(jiān)控，如果某些線(xiàn)與其它短路、切斷或損壞，就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警。采用這么多層次的保護(hù)措施，就可以對(duì)控制器起到相當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用，以免于遭受物理攻擊。另外，CPU卡往往內(nèi)部還具有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和硬件加密協(xié)處理器，以增加計(jì)算的安全性和速度。

    除了CPU卡硬件安全性，CPU卡還使用內(nèi)部操作系統(tǒng)COS來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全管理，如使用安全狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的權(quán)限管理，通過(guò)隨機(jī)數(shù)認(rèn)證機(jī)制獲取存儲(chǔ)器的權(quán)限，卡內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也可以使用密文或者動(dòng)態(tài)密文的方式進(jìn)行線(xiàn)路通訊，這些技術(shù)基本能夠解決在防護(hù)芯片一端的數(shù)據(jù)安全性。

    目前，采用CPU卡進(jìn)行防護(hù)已經(jīng)成為一種領(lǐng)先技術(shù)，CPU卡在SIM領(lǐng)域的巨量應(yīng)用使得其成本也能夠逐漸下降到被設(shè)計(jì)者接受的程度。

    但是，CPU卡盡管比較安全，但依然還沒(méi)有解決MCU一端的安全問(wèn)題，對(duì)稱(chēng)算法的使用使得在MCU端依然要暴露算法和密鑰，另外，對(duì)于CPU卡的使用者而言，COS功能已經(jīng)設(shè)計(jì)好，只能被動(dòng)使用固定指令，功能擴(kuò)展困難，而且第三方COS的權(quán)威性也會(huì)受到人們的擔(dān)心和質(zhì)疑。

    5、開(kāi)放的CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)

    CPU卡實(shí)際上依然是一個(gè)單片機(jī)，盡管其加載了各種安全技術(shù)，但其等同于一個(gè)迷你接口的安全單片機(jī)，針對(duì)COS廠商的軟件開(kāi)發(fā)人員而言，COS編程等同于單片機(jī)開(kāi)發(fā)，所使用的開(kāi)發(fā)工具和編程語(yǔ)言與單片機(jī)甚至是相同的。因此，如果采用CPU卡做為主MCU的一個(gè)安全協(xié)處理器，輔助MCU工作，使得一些重要程序或者數(shù)據(jù)處理過(guò)程在CPU卡內(nèi)部完成，將解決MCU一端的安全問(wèn)題，同時(shí)CPU卡內(nèi)部通常也具備很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（20K－120K字節(jié)），安全計(jì)算加大容量安全存儲(chǔ)，也大大提高了CPU卡應(yīng)用的性能價(jià)格比。

    但是對(duì)于單片機(jī)工程師而言，編寫(xiě)COS或者與CPU卡進(jìn)行通訊的過(guò)程中，面臨的最大困擾是復(fù)雜的ISO7816協(xié)議，為了解決這個(gè)問(wèn)題，有些技術(shù)使用先在CPU卡內(nèi)部放置通訊固件，將ISO7816協(xié)議變成普通的串口協(xié)議，這樣工程師就能夠象針對(duì)單片機(jī)編程一樣輕松自如地對(duì)安全單片機(jī)進(jìn)行編程了。

    開(kāi)放的CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的認(rèn)證技術(shù)具有非常大的優(yōu)勢(shì)，依托安全的CPU卡硬件平臺(tái)作為安全協(xié)處理器，設(shè)計(jì)工程師可以在安全協(xié)處理器內(nèi)部隨意自如的實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)思路，不受第三方COS的制約，將設(shè)計(jì)思想和敏感數(shù)據(jù)完全控制在自己手中。 

    目前，北京寶興達(dá)信息技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的這種新興產(chǎn)品ESPU0808已經(jīng)引起了人們的興趣，在很多領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，如在游戲機(jī)內(nèi)部，使用ESPU0808來(lái)計(jì)算人機(jī)博弈的中獎(jiǎng)概率，在門(mén)禁應(yīng)用領(lǐng)域，利用ESPU0808對(duì)正常用戶(hù)和黑名單進(jìn)行管理，這項(xiàng)技術(shù)不僅增加了算法的安全性，同時(shí)減少了主MCU的負(fù)擔(dān)。 

    使用這項(xiàng)技術(shù)依然有一些問(wèn)題需要考慮，在CPU卡加密協(xié)處理器內(nèi)部運(yùn)行的程序要具有很好的隨機(jī)性，簡(jiǎn)單的程序和過(guò)少的數(shù)據(jù)交互會(huì)增加黑客的攻擊機(jī)會(huì)。

    隨著技術(shù)的進(jìn)步，防抄板技術(shù)也在日新月益，不斷地發(fā)展，以對(duì)抗不斷增強(qiáng)的黑客攻擊手段。