摘 要： 針對SRAM工藝FPGA應用中的安全問題，提出了一種采用雙重認證（身份認證和產權認證）的保護方法。不僅能夠使得非法者無法使用FPGA，而且有效防止IP核被盜用。在FPGA外部添加安全芯片，負責完成身份認證，確認使用者的合法性；在IP核內添加保護模塊，與安全芯片交互完成產權認證，確認IP核的合法性。詳細介紹了雙重認證方法的思想、原理和實現過程，并進行了安全性分析。
關鍵詞： FPGA； IP核； 保護； 雙重認證
在電子產品設計中，FPGA由于靈活方便、性能突出等優點，得到了越來越廣泛的應用。目前，市場占有率最高的兩大公司Xilinx和Altera生產的FPGA大都是基于SRAM工藝的，而SRAM工藝FPGA由于自身的特點，存在諸多安全問題[1]。因此，實際應用中需要采取一定的保護手段，確保SRAM工藝FPGA的安全應用。
1 SRAM工藝FPGA的安全問題
SRAM工藝FPGA具有掉電易失性,在實際的應用中需要外部存儲器來存儲其配置信息。因此，SRAM工藝的FPGA具有可反復使用、升級方便、配置電路簡單等優點。然而，由于FPGA的配置電路及時序是公開的，在FPGA加載配置信息的過程中,不法者可以通過偵測FPGA配置管腳，截取配置信息來配置其他FPGA。而配置信息是設計者IP核的具體表現形式，這樣，IP核被非法復制，使設計者的產權受到破壞。
針對該問題，參考文獻[2]提出一種結合EDA軟件和FPGA的方法,有效防止IP核被非法復制；參考文獻[3]在IP核中添加保護模塊，通過保護模塊和外部驗證設備通信認證來確認IP核的合法性。以上文獻從不同方面對IP核的防復制進行了研究[4],但都未對使用FPGA的用戶進行身份認證。由于FPGA通常作為電子系統的核心或關鍵模塊，為合法用戶提供一定的服務，因此,實際應用中需對使用FPGA的用戶進行身份認證。本文對此提出一種采用雙重認證(身份認證、產權認證)的保護方法,以滿足SRAM工藝FPGA防止非法用戶使用及IP核防復制的雙重需求。
2 雙重認證方法的設計
2.1 雙重認證方法的思想及模型
由于FPGA芯片供應商對配置數據流的定義是不公開的，所以無法通過配置數據流推測內部電路。因此需要在IP核中添加保護模塊，使得配置成功后FPGA先不工作，只有在身份認證、產權認證成功后，FPGA才正常工作。雙重認證方法既認證使用者的合法性，又認證IP核的合法性，確保SRAM工藝FPGA的安全應用。
本設計需要在IP核中嵌入保護模塊，同時在FPGA外添加安全芯片。系統上電后，從配置器件加載IP核到FPGA，IP核中的工作電路暫時不能工作，只有當產權認證成功，保護模塊發出使能信號，IP核中工作電路才開始工作。產權認證由IP核中保護模塊和外部的安全管理芯片交互實現，而身份認證則由安全管理芯片完成。雙重認證方法模型如圖1所示，主要包括FPGA、FPGA配置器件、安全芯片等。
本設計中，對FPGA及其配置器件無特殊要求，選用通用器件即可，這里選用的分別是Altera公司的EP2C20F256C8和EPCS1。
安全芯片既要實現身份認證,又要通過與IP核中保護模塊的交互實現產權認證，對安全性及其他性能都有較高的要求。本設計選用Z32芯片作為安全芯片。
2.2 雙重認證方法的工作流程
本設計采用雙重認證機制保護FPGA的安全應用，其工作流程如圖2所示。系統上電后，從存儲器件加載IP核到FPGA中，首先進行用戶身份認證，身份認證成功后進行產權認證。只有當身份認證和產權認證全部成功后，FPGA才開始正常工作。兩次認證中任意一次失敗，就會啟動錯誤計數器，當計數達到設定的值后，系統就會銷毀存儲的秘密信息，使得系統失效。
從圖2可以看出，產權認證受身份認證保護，即只有身份認證通過，才能進行產權認證。不法者即使獲得IP核配置信息，由于不能通過身份認證， 也無法使FPGA正常工作；合法使用者如果復制IP核的配置信息來配置其他FPGA，由于不能通過產權認證，也無法使FPGA正常工作。因此，雙重認證方法有效地滿足了SRAM工藝FPGA的安全應用需求。
3 關鍵模塊的設計及實現
首先對以下兩個符號進行說明：
(1) Kp：口令密鑰，在身份認證成功后由口令、口令哈希值等分量合成，主要用于對密文存在的認證密鑰Ka解密。
(2) Ka：認證密鑰，受口令密鑰Kp保護，身份認證成功前以密文形式存在，是產權認證過程中AES算法的密鑰。
3.1 身份認證模塊
身份認證主要由Z32安全芯片來完成。本設計在Z32的固件程序中，實現AES算法和SHA-256算法。在芯片的Flash中開辟安全存儲區，只有固件控制程序可以對該安全存儲區操作，外部程序無訪問權限。為了提高身份認證的安全性，本設計采用口令方式進行身份認證，安全存儲區中不存儲口令的明文，僅存儲正確口令的哈希值及認證密鑰Ka的密文。
身份認證原理如圖3所示。本設計采用了密鑰分級保護的思想，通過口令密鑰Kp來保護認證密鑰Ka。只有用戶口令正確，系統才能計算出口令密鑰Kp，然后調用AES算法將認證密鑰Ka解密;若口令不正確，則即使將系統暴力拆解，直接讀取芯片的存儲區，也只能獲得Ka的密文，而無法獲得Ka的值。
身份認證的具體過程為：
(1) 接收用戶輸入的口令。
(2) 將用戶輸入的口令用SHA-256算法處理，其結果與安全存儲區中正確口令的哈希值(256 bit)進行比對。若比對結果一致，則跳過步驟(3)，否則執行步驟(3)。
(3) 重新執行步驟(1)，同時啟動錯誤計數器，錯誤值加1。當計數到設定值，則銷毀安全存儲區中的數據，系統被鎖死。
(4) 將口令與哈希值的低128 bit按位異或，得口令密鑰Kp。若口令值不足128 bit，則將口令高位補為0,補足128 bit；若口令多于128 bit，則僅取其低128 bit。
(5) 調用AES算法，用步驟(4)得到的口令密鑰Kp將密文存儲的Ka解密，得認證密鑰Ka。解密后的Ka也存儲在安全Flash區中。同時，Z32芯片將生成的口令密鑰Kp清零。
(6) 身份認證成功，向IP核保護模塊發出產權認證開始信號，等待其響應。
若身份認證成功后，用戶輸入修改登錄口令的命令，則首先用原口令密鑰Kp將認證密鑰Ka解密，然后計算出新口令的哈希值及新的口令密鑰Kp，調用AES算法將認證密鑰Ka用新的口令密鑰加密，最后將安全存儲區中數據用新口令的哈希值和Ka新的密文替換。在這里需要注意的是認證密鑰Ka的值并未變化，改變的僅為存儲區中Ka的密文。
3.2 產權認證模塊
產權認證由Z32芯片和IP核中的保護模塊共同完成，產權認證原理如圖4所示，虛線為控制信號，實線為數據流。IP核保護模塊由偽隨機數發生器、AES加/解密器、比對模塊、比對結果處理模塊、寄存器等組成。當用戶通過身份認證后，Z32芯片將安全存儲區中加密存儲的認證密鑰Ka解密，然后通知FPGA，FPGA響應該信號，即產權認證開始。
產權認證的具體過程為：
(1) Z32芯片向FPGA發出產權認證開始信號。
(2) IP核保護模塊響應產權認證開始信號，偽隨機數發生器產生一個偽隨機序列。
(3) 偽隨機序列分成兩路：一路存儲在保護模塊的寄存器中；另一路用AES算法加密(其中加密密鑰為Ka)，然后把密文傳給Z32芯片。
(4) Z32芯片接收到密文后，利用身份認證過程中解密所得的認證密鑰Ka，將所接收到的密文解密，然后將結果回傳給FPGA認證模塊。
(5) IP核保護模塊接收到Z32傳回的序列,將其與步驟(1)中產生的序列值比對。若比對結果一致，則發出使能信號，IP核中工作電路開始工作;若不一致，則比對模塊向Z32控制器傳回比對錯誤信號,重新執行步驟(1)，同時Z32芯片啟動錯誤計數器，錯誤值加1，當計數到設定值，則銷毀Z32安全存儲區中的信息，系統被鎖死。
4 安全性分析
本設計中，IP核工作電路只有在產權認證成功后才能工作，由于產權認證采用了挑戰應答方式，每次產生的隨機序列不同，非法者使用重放攻擊不能通過產權認證。由于對偽隨機序列采用的是AES加密，在不知道密鑰的情況下很難破解，安全可靠性高[5]。因此，產權認證的安全性取決于認證密鑰Ka的安全性。
認證密鑰Ka存在于FPGA的配置數據流和安全芯片中。因為 FPGA芯片供應商對配置數據流的定義是不公開的，所以無法獲得配置數據流中的認證密鑰Ka。而若想破解安全芯片而獲得認證密鑰Ka也是不現實的，因為Ka受口令密鑰Kp保護,只有用戶輸入正確的口令，才能利用口令、口令哈希值計算出口令密鑰Kp，才能將Ka解密。非法用戶沒有正確的口令，不能計算出口令密鑰Kp，無法使FPGA正常工作，這樣便達到了防止非法用戶使用FPGA的目的；合法用戶通過身份認證后能夠將Ka解密，但只有固件程序能夠對Ka操作，用戶也無法獲得Ka的具體值，即使拷貝IP核配置信息來配置其他FPGA，由于不知道Ka的具體值，無法通過產權認證，復制的IP核也不能工作，實現了對設計者產權的保護。
本文設計的保護方法采用了身份認證、產權認證兩重認證機制，體現了分級保護的思想。雖然消耗了一部分硬件資源，但有效地保證了SRAM工藝FPGA的安全應用，達到了非法用戶不能使用FPGA、合法用戶不能侵犯設計者產權的目的。本設計安全性高、通用性強，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] GUAJARDO J,KUMAN S, SCHRIJEN S, et al. Physical unclonable functions and public-key crypto for FPGA IP protection[C]. Amsterdam: Field Programmable Logic and application, 2007: 189-195.
[2] 章禮宏, 范全潤. 基于EDA軟件和FPGA的IP核保護技術[J]. 電子設計工程, 2009, 17(3):98-100.
[3] 范明俊, 李寧, 趙樂軍,等. 一種安全可靠性高的全新IP核保護方法[J]. 微電子學, 2007, 37(2):185-188.
[4] GUNGYSU T, MOLLER B, PAAR C, et al. Dynamic intellectual property protection for reconfigurable devices[C].Kitakyushu: Field-Programmable Technology, 2008:169-172.
[5] 楊義先, 鈕心析. 應用密碼學[M]. 北京: 北京郵電大學出版社, 2005.