專用SOC安全控制架構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)專用SoC芯片的安全問(wèn)題，在描述芯片威脅模型與部署模型的基礎(chǔ)上，規(guī)劃了芯片資源的安全等級(jí)，設(shè)計(jì)了芯片的工作狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移之間的約束條件和實(shí)現(xiàn)機(jī)制，給出了芯片運(yùn)行時(shí)的安全工作流程。對(duì)芯片的安全性分析表明，所設(shè)計(jì)的芯片系統(tǒng)能夠滿足機(jī)密性、完整性和可信性的應(yīng)用要求。
關(guān)鍵詞：專用片上系統(tǒng)；控制架構(gòu)；安全狀態(tài)；敏感信息的度量

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)安全性評(píng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。


    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。


    M_AUTH為制造商與開(kāi)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(kāi)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。
   

    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。

2 芯片工作流程分析
    專用SoC芯片在其整個(gè)生命周期中，總處于某種特定的安全狀態(tài)?；谛酒\(yùn)行時(shí)的安全策略，結(jié)合狀態(tài)位與控制參數(shù)設(shè)置，專用SoC芯片的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程如圖1所示。


    在上圖中，S．n表示STATE的第n位，S’．n表示STATE’的第n位(位于LEVEL1中)，0．n表示0TP的第n位。高電平表示對(duì)應(yīng)條件成立，低電平表示對(duì)應(yīng)條件不成立。
2．1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移約束條件
    專用SoC芯片按照其工作流程共有16種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑，限于篇幅在此只介紹其中的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑。為簡(jiǎn)化書(shū)寫記A=TDESENC(KEY_TDES，DATA_T)，B=RSAENC(PUB EK，DATA R)。
    當(dāng)專用SoC芯片從ST3狀態(tài)通過(guò)ST6狀態(tài)轉(zhuǎn)移到ST9狀態(tài)時(shí)，應(yīng)滿足如下約束條件：
   
   
    在正常啟動(dòng)時(shí)，芯片系統(tǒng)由ST3經(jīng)過(guò)上電白檢，完成對(duì)1層代碼與數(shù)據(jù)、2層代碼與數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證。置位STATE．6，通過(guò)層次跳轉(zhuǎn)命令，進(jìn)入ST6，進(jìn)而在ST6下，通過(guò)判斷STATE’．6是否有效，決定可否進(jìn)入ST9。在ST6下，也可通過(guò)功能調(diào)用命令進(jìn)入ST9，執(zhí)行部分2層代
碼的功能，并在執(zhí)行完成后，正確返回到ST6。
2．2 專用SoC芯片的工作流程
    ①在開(kāi)發(fā)商初次獲得芯片后，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)ST1。加電后，系統(tǒng)首先對(duì)自身O層代碼和數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，調(diào)用各功能模塊IP核進(jìn)行自檢，若白檢正確，則芯片可繼續(xù)完成傳輸過(guò)程安全認(rèn)證命令的接收與執(zhí)行，否則置位OTP．4，芯片系統(tǒng)進(jìn)入鎖死狀態(tài)，不提供任何功
能服務(wù)。
    ②當(dāng)OTP．1=0時(shí)，芯片系統(tǒng)僅允許傳輸過(guò)程安全認(rèn)證命令的輸入與執(zhí)行。開(kāi)發(fā)商通過(guò)傳輸安全認(rèn)證命令，在允許的認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)芯片的真實(shí)性進(jìn)行認(rèn)證。若認(rèn)證正確，芯片由初始狀態(tài)ST1轉(zhuǎn)移至使能狀態(tài)ST2，并置位芯片使能標(biāo)識(shí)OTP．1，等待用戶創(chuàng)建命令的輸入。若芯片真實(shí)性認(rèn)證錯(cuò)誤，芯片系統(tǒng)保持在初始狀態(tài)。當(dāng)認(rèn)證次數(shù)超出允許次數(shù)時(shí)，OTP．6被置位，芯片被鎖死。
    ③當(dāng)OTP．1=1時(shí)，芯片系統(tǒng)僅允許用戶創(chuàng)建命令的輸入與執(zhí)行。初次啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)發(fā)商通過(guò)用戶創(chuàng)建命令，完成AIK與USER_AUTH的創(chuàng)建。用戶創(chuàng)建完成后，置位OTP．O與STATE．2，進(jìn)入芯片激活狀態(tài)ST3。在允許的認(rèn)證次數(shù)范圍內(nèi)，若用戶創(chuàng)建失敗，芯片保持在ST2。當(dāng)STAT-E.1=1 時(shí)，開(kāi)發(fā)商可以通過(guò)用戶創(chuàng)建命令，更新AIK和USER_AUTH，完成用戶身份的重建。當(dāng)認(rèn)證次數(shù)超出允許范圍時(shí)，0TP．5被置位，芯片被鎖死。
    ④當(dāng)OTP．O=1時(shí)，開(kāi)發(fā)商可以獲得低層代碼和系統(tǒng)資源所提供的服務(wù)功能，如SHA1雜湊值計(jì)算、對(duì)稱數(shù)據(jù)加解密、RSA數(shù)據(jù)簽名與認(rèn)證、以及隨機(jī)數(shù)生成等一系列密碼服務(wù)功能等。當(dāng)需要對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行1層代碼下載時(shí)，用戶輸入代碼下載命令，芯片系統(tǒng)首先驗(yàn)證下載命令發(fā)起者身份，若身份驗(yàn)證正確，置位 STATE．7，進(jìn)入ST4。
    ⑤當(dāng)STATE．7=1時(shí)，芯片在下載控制程序控制下，將1層代碼下載到對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器COS區(qū)。系統(tǒng)調(diào)用SHA1模塊度量下載代碼的完整性，存儲(chǔ)于 LELVE0存儲(chǔ)器的PCR2中，并與輸入的完整性信息進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。若完整性驗(yàn)證通過(guò)，置位STATE．6，并復(fù)位STATE．7，進(jìn)入ST5，否則返回ST3。此外，因突發(fā)因素導(dǎo)致下載過(guò)程中斷，也會(huì)使芯片系統(tǒng)返回ST3。在系統(tǒng)返回ST3時(shí)，復(fù)位STATE．7。
    ⑥當(dāng)STATE．6=1時(shí)，通過(guò)層次跳轉(zhuǎn)命令，芯片系統(tǒng)進(jìn)入ST6，用戶可以獲得1層代碼的相應(yīng)功能。由ST6返回到ST3只有斷電或者系統(tǒng)復(fù)位兩種方式。
    ⑦在1層代碼運(yùn)行狀態(tài)下，若需要進(jìn)行2層代碼下載，則用戶輸入符合1層代碼編碼格式的代碼下載命令。1層代碼驗(yàn)證下載命令發(fā)起者身份，驗(yàn)證通過(guò)后，置位STATE’．7，進(jìn)入ST7。若不需要代碼下載，則在ST6運(yùn)行。
    ⑧完成2層代碼下載過(guò)程同⑤，對(duì)2層代碼進(jìn)行完整性度量與驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過(guò)，置位STATE’．6，進(jìn)入ST8，否則返回ST6。
    ⑨通過(guò)層次跳轉(zhuǎn)命令或功能調(diào)用命令，芯片系統(tǒng)可進(jìn)入ST9，獲得2層代碼相應(yīng)功能。當(dāng)采用層次跳轉(zhuǎn)命令進(jìn)入ST9時(shí)，芯片系統(tǒng)保持在ST9狀態(tài)，僅能夠通過(guò)系統(tǒng)復(fù)位，返回ST3。當(dāng)采用功能調(diào)用命令進(jìn)入ST9時(shí)，只能執(zhí)行2層代碼中部分功能且執(zhí)行完畢后，將返回到ST6狀態(tài)。

3 專用SoC芯片安全性分析
3．1 攻擊防護(hù)分析
    在芯片的硬件安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，篡改響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)榷ü裟Ｐ椭械奈锢砉暨M(jìn)行安全防護(hù)；結(jié)合安全邏輯模塊中的越界檢測(cè)部件，信息交互機(jī)制能夠防止攻擊者對(duì)芯片的緩沖區(qū)溢出攻擊；此外，信息交互機(jī)制還能夠?qū)φZ(yǔ)義攻擊、字典攻擊以及重放攻擊進(jìn)行防護(hù)；芯片系統(tǒng)的單向分級(jí)啟動(dòng)模式、以及代碼下載時(shí)的身份認(rèn)證，各安全級(jí)別之間的“防火墻”設(shè)計(jì)，使得芯片系統(tǒng)能夠抵抗惡意代碼的攻擊。
3．2 工作過(guò)程安全性分析
    ①代碼的可信性：首先，由于制造商被無(wú)條件信任，芯片在出廠初始狀態(tài)真實(shí)可信，因而內(nèi)嵌代碼是可信的。在經(jīng)過(guò)傳輸過(guò)程被開(kāi)發(fā)商獲得后，芯片的使用需要通過(guò)對(duì)芯片的傳輸過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，在驗(yàn)證正確后，芯片的來(lái)源被確認(rèn)，此時(shí)，內(nèi)嵌代碼保持了其可信性。以內(nèi)嵌代碼為可信基，在對(duì)1層代碼與2層代碼進(jìn)行下載時(shí)，均需要認(rèn)證下載命令發(fā)起者的身份。因而，下載的1層代碼與2層代碼均能夠保證其來(lái)源真實(shí)性。
    ②代碼的完整性：在信賴制造商前提下，內(nèi)嵌代碼可作為整個(gè)芯片系統(tǒng)的可信基?；谶@一信任基礎(chǔ)，通過(guò)啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)內(nèi)嵌代碼、芯片操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序的完整性驗(yàn)證，使得芯片系統(tǒng)僅在代碼完整性正確情況下，才能夠正常運(yùn)行，從而保證了代碼的完整性。
    ③數(shù)據(jù)可信性：由于LEVEL0的數(shù)據(jù)僅能夠由制造商與Q層代碼操作，傳輸安全機(jī)制保證了芯片的可信性，從而可知LEVEL0的數(shù)據(jù)是可信的。1層與2層敏感數(shù)據(jù)與運(yùn)行臨時(shí)數(shù)據(jù)的可信性由本層的代碼可信性保證。當(dāng)本層代碼可信時(shí)，數(shù)據(jù)的來(lái)源被認(rèn)為是可信的。
    ④數(shù)據(jù)完整性：由完整性認(rèn)證機(jī)制可知，其被認(rèn)證數(shù)據(jù)對(duì)象在每次合法改變時(shí)，均將及時(shí)修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)信息，且每次啟動(dòng)時(shí)，均需進(jìn)行完整性認(rèn)證，因而數(shù)據(jù)完整性可得到保證。
    ⑤功能部件的正確性：功能部件的正確性通過(guò)芯片系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)的功能自檢，以及根據(jù)應(yīng)用需要每次調(diào)用功能部件執(zhí)行相應(yīng)檢測(cè)功能來(lái)保證。

結(jié)語(yǔ)
    提供密碼服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的專用SoC芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，在芯片功能正確的前提下，確保芯片內(nèi)部敏感信息的機(jī)密性與完整性，以及運(yùn)行狀態(tài)的可信性。本文為專用SoC的安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可供參考的模型，也為進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)完整性度量和可信應(yīng)用服務(wù)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。