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航芯：電子產(chǎn)品如何硬剛「盜版」這些知識(shí)速來(lái)了解

發(fā)布時(shí)間:2024-04-09

前言

嵌入式應(yīng)用無(wú)處不在，從消費(fèi)電子到工業(yè)控制，讓智能化生活觸手可及。然而，在便利的背后，安全威脅也在不斷增加，針對(duì)電子設(shè)備的安全攻擊事件層出不窮。因此，如何保護(hù)設(shè)備不被入侵或篡改始終是一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

「多場(chǎng)景下的安全認(rèn)證需求」

在多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景中，安全認(rèn)證是確保每一次通信都安全可靠的關(guān)鍵要素。

電路防抄板：提升產(chǎn)品被仿制的難度

為避免產(chǎn)品一經(jīng)上市，就被同行“模仿”讓努力都付之東流，甚至失去市場(chǎng)份額。安全認(rèn)證芯片能在版權(quán)保護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，有效防范反向工程攻擊，避免被未授權(quán)的第三方拷貝程序和仿冒。

電子配件認(rèn)證：杜絕偽造守護(hù)品質(zhì)安全

因假冒偽劣配件而不斷引發(fā)的安全事故，將危及設(shè)備功能和用戶安全，從而損害品牌價(jià)值。安全認(rèn)證芯片可用于驗(yàn)證配件真?zhèn)危_保僅授權(quán)的正品配件得以使用。適用于智能設(shè)備電池、打印機(jī)墨盒、電子煙煙彈、濾水器和凈水器、可穿戴設(shè)備、電動(dòng)工具等應(yīng)用。

醫(yī)療耗材認(rèn)證：配套產(chǎn)品的質(zhì)量管控

針對(duì)醫(yī)療耗材，安全認(rèn)證芯片可用于存儲(chǔ)傳感器的關(guān)鍵醫(yī)療參數(shù)，確保耗材能精準(zhǔn)校準(zhǔn)到儀器。且可用于驗(yàn)證配件真?zhèn)危乐故褂梦唇?jīng)授權(quán)的耗材。適用于血氧監(jiān)護(hù)儀、心電監(jiān)護(hù)儀、B超探頭、便攜式呼吸機(jī)等應(yīng)用。

汽車配件認(rèn)證：保障汽車零部件安全

針對(duì)汽車配件，安全認(rèn)證芯片可嵌入任何有被偽造風(fēng)險(xiǎn)的汽車外圍設(shè)備，用于識(shí)別和校準(zhǔn)汽車配件，通過(guò)驗(yàn)證汽車組件確保車輛安全性和可靠性。適用于汽車攝像頭、傳感器、電動(dòng)汽車電池、前燈模塊、車載香氛等應(yīng)用。

工業(yè)設(shè)備安全：讓智能化與安全并行

在工業(yè)自動(dòng)化中，安全認(rèn)證芯片用于確保機(jī)器和傳感器的數(shù)據(jù)傳輸不被篡改和偽造，防止因外部攻擊引發(fā)的信息泄露和系統(tǒng)崩潰等問(wèn)題。

芯品推薦：航芯ACL16_A系列

針對(duì)以上應(yīng)用，航芯推出了一款專為設(shè)備認(rèn)證設(shè)計(jì)的安全芯片ACL16_A系列。這款芯片集成了多項(xiàng)安全特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密和安全認(rèn)證的雙重功能，能夠輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的設(shè)備認(rèn)證挑戰(zhàn)。采用1-Wire單總線通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和高效傳輸，大幅提升認(rèn)證速度。更為精巧的LGA4封裝設(shè)計(jì)顯著減少了空間占用，為設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品布局上提供了更大的靈活性。而且設(shè)計(jì)人員無(wú)需具備深厚的安全加密知識(shí)，也能輕松地將ACL16_A系列芯片嵌入到產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)和高效安全認(rèn)證。

「兩種算法滿足多樣化安全認(rèn)證需求」

對(duì)稱加密算法：滿足基礎(chǔ)級(jí)安全需求

ACL16_AHM系列是一款基于對(duì)稱加密算法的安全認(rèn)證芯片。采用1-Wire單總線通信，集成了HMAC和SHA-256算法引擎、FIPS/NIST兼容真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、128-byte安全EEPROM用戶存儲(chǔ)區(qū)、20位僅遞減計(jì)數(shù)器和唯一的64位ROM識(shí)別碼。

ACL16_AHM：HMAC實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證

ACL16_AHM基于對(duì)稱加密算法，即加密和解密使用相同的共享密鑰。而HMAC利用對(duì)稱加密，可以實(shí)現(xiàn)“認(rèn)證”和“檢測(cè)篡改”這兩個(gè)功能。

HMAC實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證的過(guò)程

由主機(jī)向認(rèn)證器件發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)挑戰(zhàn)。認(rèn)證器件用共享密鑰加密隨機(jī)數(shù)，并使用SHA-256對(duì)加密結(jié)果進(jìn)行HASH運(yùn)算，生成一個(gè)哈希值作為簽名，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)執(zhí)行相同的運(yùn)算并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，如運(yùn)算結(jié)果相同，則認(rèn)為認(rèn)證器件是一個(gè)合法設(shè)備。ACL16_AHM系列HMAC認(rèn)證的運(yùn)算時(shí)間約5ms。

ACL16_AHM：性能優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景

HMAC-SHA256算法使用了哈希函數(shù)，其計(jì)算效率高，對(duì)系統(tǒng)性能的影響較小，適用于對(duì)認(rèn)證應(yīng)答實(shí)時(shí)性要求高，而主機(jī)設(shè)備性能要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景，可以在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證的需求。

非對(duì)稱加密算法：滿足進(jìn)階級(jí)安全需求

ACL16_AEC系列是一款基于非對(duì)稱加密算法的安全認(rèn)證芯片。采用1-Wire單總線通信，集成了ECDSA和SHA-256算法引擎、FIPS/NIST兼容真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、1KB安全EEPROM存儲(chǔ)區(qū)、20位僅遞減計(jì)數(shù)器和唯一的64位ROM識(shí)別碼。

ACL16_AEC：ECDSA實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證

ACL16_AEC基于非對(duì)稱加密算法，即加密和解密使用不同的密鑰：公鑰和私鑰。公鑰用于加密數(shù)據(jù)或驗(yàn)證數(shù)字簽名，可對(duì)外界公開(kāi)；私鑰用于解密數(shù)據(jù)或創(chuàng)建數(shù)字簽名，僅所有者知道。并且，密鑰將經(jīng)過(guò)證書(shū)授權(quán)中心簽發(fā)數(shù)字證書(shū)，明確了密鑰所有者的身份信息。

所以，ECDSA利用非對(duì)稱加密，既可以實(shí)現(xiàn)“認(rèn)證”和“檢測(cè)篡改”的功能，還可以驗(yàn)證密鑰所有者的身份，具有更好的防止偽造能力。

ECDSA實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證的過(guò)程

由主機(jī)向認(rèn)證器件發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)挑戰(zhàn)。而認(rèn)證器件根據(jù)隨機(jī)數(shù)和私鑰，使用ECDSA計(jì)算數(shù)字簽名，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)使用公鑰對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證。如果結(jié)果一致，則認(rèn)為認(rèn)證器件是一個(gè)合法設(shè)備。ACL16_AEC系列ECDSA的運(yùn)算時(shí)間約250ms。

ACL16_AEC：性能優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景

ECDSA-SHA256算法結(jié)合了橢圓曲線密碼學(xué)和SHA-256的強(qiáng)安全性，加密強(qiáng)度要高于HMAC；相較RSA算法，ECDSA用更短的密鑰長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)更高的安全性，對(duì)存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬占用較少。適用于對(duì)安全性要求高，且主機(jī)設(shè)備具備高性能的移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。

「密鑰安全存儲(chǔ)難題：航芯有什么高招」

面對(duì)不斷進(jìn)化的安全攻擊手段，密鑰存儲(chǔ)的安全性成為了薄弱環(huán)節(jié)。所以，從密鑰的「誕生」到經(jīng)歷千萬(wàn)次的運(yùn)算「功成身退」，航芯將層層把關(guān)每道安全防線，守護(hù)產(chǎn)品在全生命周期的功能安全。接下來(lái)，我們將深入解讀航芯ACL16_A芯片所具備的一系列強(qiáng)大的安全特性。

密鑰的安全生成：實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效密鑰保護(hù)

ACL16_AHM密鑰的生成：采用對(duì)稱算法體系，使用共享密鑰。密鑰可以通過(guò)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建或支持客戶定制。通過(guò)具有高度安全和保密性的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以密文方式從外部寫(xiě)入芯片中。

ACL16_AEC密鑰的生成：采用非對(duì)稱算法體系，使用「公私鑰對(duì)」。密鑰通過(guò)芯片內(nèi)置的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和ECDSA硬件算法引擎，自主創(chuàng)建 1 組密鑰，或支持外部寫(xiě)入，通過(guò)證書(shū)鏈便于管理，使密鑰分發(fā)更安全。通常私鑰是固定的，但每次應(yīng)用時(shí)都會(huì)加入隨機(jī)數(shù)，所以外部看到的密鑰是在變化的。

密鑰的生命周期與安全性：航芯安全芯片存儲(chǔ)壽命至少10年，而密鑰在全生命周期內(nèi)都是有效的。在使用的過(guò)程中，雖然密鑰是固定的，但每次認(rèn)證質(zhì)詢的隨機(jī)數(shù)不同，所以無(wú)法通過(guò)模擬單總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行破解。

安全存儲(chǔ)功能：敏感信息的堅(jiān)實(shí)盾牌

加密存儲(chǔ)：安全EEPROM存儲(chǔ)區(qū)上的數(shù)據(jù)采用加密存儲(chǔ)，并且存儲(chǔ)地址使用串?dāng)_，從而使得數(shù)據(jù)在物理層面上不易被直接讀取或解碼。

權(quán)限管理：存儲(chǔ)器是可配置的，用于儲(chǔ)存用戶數(shù)據(jù)、密鑰、控制寄存器、認(rèn)證證書(shū)等。存儲(chǔ)器分為32頁(yè)，每頁(yè)32字節(jié)，每個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)面都可以配置特定的訪問(wèn)規(guī)則，如允許讀寫(xiě)、只讀或需要驗(yàn)證后才能訪問(wèn)，確保只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的操作才能對(duì)特定頁(yè)面進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)敏感數(shù)據(jù)的精確控制。例如，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)定密鑰的訪問(wèn)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)配置不同安全等級(jí)的密鑰。

指令控制：指令集包括ROM和Function兩大部分，它定義了處理器可以執(zhí)行的操作，包括對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)和控制。通過(guò)指令集可以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的加密、訪問(wèn)權(quán)限驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)等安全措施。例如，當(dāng)密鑰被配置為不可讀出后，可通過(guò)命令獲得對(duì)應(yīng)的公鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證功能。

固件IP保護(hù)：該功能支持安全啟動(dòng)和安全更新，為設(shè)備提供了一個(gè)可信任的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)在PCB上放置安全芯片，固件運(yùn)行時(shí)驗(yàn)證安全芯片是否有正確的密鑰，即使固件被復(fù)制也會(huì)因?yàn)闆](méi)有密鑰而無(wú)法運(yùn)行，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)代碼的保護(hù)。

可靠的反制措施：防御多種安全攻擊

通過(guò)在密鑰參與運(yùn)算時(shí)引入真隨機(jī)數(shù)掩碼技術(shù)，有效掩蓋了在加解密和簽名驗(yàn)證過(guò)程中因數(shù)據(jù)運(yùn)算引起的功耗泄露，有效防御DPA/SPA攻擊；通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓、溫度和電磁場(chǎng)等關(guān)鍵參數(shù)，確保硬件在安全的環(huán)境中運(yùn)行，任何超出正常范圍的波動(dòng)都可能觸發(fā)警報(bào)，促使系統(tǒng)采取保護(hù)措施，有效抵御DFA錯(cuò)誤注入攻擊。

賦予芯片身份標(biāo)識(shí)：確保精準(zhǔn)識(shí)別與安全

128位唯一序列號(hào) (UID)：該序列號(hào)綁定了芯片出廠的LOT/WAFER ID和坐標(biāo)等。該序列號(hào)唯一且不可復(fù)制，不支持讀出。開(kāi)發(fā)者可將應(yīng)用程序與該芯片的序列號(hào)綁定，這樣可以使每個(gè)下載應(yīng)用程序的芯片不可被復(fù)制。

64位唯一ROM識(shí)別碼 (ROM ID)：每個(gè)芯片都有唯一且不能更改的64位ROM地址碼，該地址碼由工廠光刻寫(xiě)入芯片，為每個(gè)芯片提供了一個(gè)不可篡改的身份標(biāo)識(shí)，防止身份偽造和非法復(fù)制。

「1-Wire單總線：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和高效傳輸」

1-Wire單總線使用1-Wire和GND兩根線，借助芯片內(nèi)部二極管和外置電容器件，將1-Wire總線上的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電源信號(hào)，為從機(jī)的硬件系統(tǒng)提供電源輸入，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與一個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間的通信，可提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)和維護(hù)成本，因此成為許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)選通信方案。

ACL16_A系列：1-Wire硬件特點(diǎn)

? 1-Wire通信支持最大62.5kbps的高速模式

? 工作電壓：1.75V-3.63V

? 工作溫度：-40℃至+85℃

? 4引腳LGA封裝 (1.22mm*1.22mm*0.35mm)

? 50uA(Typical) StandBy模式

? 2uA(Typical) PoweOff模式

? ESD：±8KV(HBM)