基于ATSHA204的密鑰認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：當(dāng)前電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本越來越高，PCB抄板卻變得容易，F(xiàn)lash中的程序也容易被拷貝出來，整個(gè)電子產(chǎn)品系統(tǒng)被克隆的幾率變得越來越大。針對(duì)這種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于Atmel公司ATSHA204的嵌入式密鑰認(rèn)證系統(tǒng)。首先對(duì)ATSHA204進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，然后闡述了其中的關(guān)鍵算法SHA-256，并進(jìn)行了軟件測(cè)試，最后使用ATmega128平臺(tái)對(duì)SD卡進(jìn)行讀取，驗(yàn)證了整個(gè)認(rèn)證系統(tǒng)。

引言

現(xiàn)代嵌入式軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜，開發(fā)成本很高，且都是基于控制器外加Flash存儲(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)方案，上電即從存儲(chǔ)芯片讀取程序運(yùn)行，放在Flash中的程序容易被拷貝，PCB電路板也很容易被復(fù)制。為了更好地保護(hù)好產(chǎn)品免遭克隆，保護(hù)程序設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)免受侵害，有必要在系統(tǒng)中使用密鑰認(rèn)證技術(shù)。

目前在芯片加密方面主要有使用專用密鑰認(rèn)證芯片，如Atmel AT88系列;其次就是使用不可破解的芯片，如EPLDEPM7128、Actel公司的CPLD;或使用MASK(掩膜)IC，一般來說MASK IC要比可編程芯片難破解。

本文介紹的ATSHA204是Atmel公司推出的一款專用加密芯片，采用SHA-256公鑰算法，具有體積小、功耗低、安全性高等一系列特點(diǎn)，價(jià)格也較低，使用范圍廣泛。

1 ATSHA204加密芯片簡(jiǎn)介

1.1 主要特性

ATSHA204包含一個(gè)可以用來存儲(chǔ)密鑰數(shù)據(jù)和關(guān)鍵字的EEPROM陣列，不同陣列區(qū)域的訪問方式不同，通過合理配置，可以在實(shí)現(xiàn)認(rèn)證的同時(shí)防止密鑰被讀取。該芯片能有防范各種物理攻擊的機(jī)制，能阻止在主機(jī)和芯片間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)受到的邏輯攻擊。每個(gè)ATSHA204出廠時(shí)都具有一個(gè)唯一的9字節(jié)的序列號(hào)，兼容標(biāo)準(zhǔn)I2C總線通信時(shí)序，也可通過單線通信的方式。

1.2 認(rèn)證流程

為了簡(jiǎn)化編程，ATSHA204支持標(biāo)準(zhǔn)的摘要一答應(yīng)協(xié)議，主機(jī)發(fā)送一個(gè)256位的摘要信息(challenage)到ATSHA204芯片，芯片將摘要信息和存儲(chǔ)在芯片內(nèi)的秘鑰一起通過哈希算法計(jì)算出一個(gè)響應(yīng)，然后發(fā)回到主機(jī)。主機(jī)只發(fā)送摘要信息到設(shè)備上面，避免了通過總線時(shí)序觀察到秘鑰數(shù)據(jù)的可能性。主機(jī)控制器也通過相關(guān)的公鑰算法計(jì)算出響應(yīng)，與設(shè)備發(fā)送回來的響應(yīng)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)認(rèn)證。

1.3 芯片組成

ATSHA204加密芯片內(nèi)部包含Static RAM和EEPRO，RAM主要用來存儲(chǔ)輸入命令以及輸出結(jié)果，EEPROM總大小為4.5 Kb，包含數(shù)據(jù)區(qū)、配置區(qū)以及OTP(一次性編程)區(qū)域。

數(shù)據(jù)(data)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)的總大小是512 Kb，包含16個(gè)通用的容量為32字節(jié)的數(shù)據(jù)槽。這些數(shù)據(jù)槽可用來存儲(chǔ)秘鑰、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及型號(hào)信息。每個(gè)數(shù)據(jù)槽可通過配置區(qū)配置成只讀、可讀寫、不可訪問三種方式。

配置(config)區(qū)：配置區(qū)的大小為88字節(jié)，配置區(qū)包含芯片的序列號(hào)、ID信息以及每個(gè)數(shù)據(jù)槽的訪問權(quán)限信息。

一次性編程(OTP)區(qū)：大小為64字節(jié)，在鎖定OTP區(qū)域之前，可以通過寫命令對(duì)OTP區(qū)域進(jìn)行寫入操作。

2 ATSHA204加密芯片配置方法

ATSHA204有兩種與主機(jī)通信的方式，可以通過UART或者I2C總線接口進(jìn)行通信，本沒訃采用帶有I2C總線接口的芯片。如果主機(jī)I/O口在45～85 ms的時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)出時(shí)序，則ATSHA204芯片會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此在使用前都應(yīng)當(dāng)對(duì)芯片進(jìn)行喚醒操作。

①配置config區(qū)域。config區(qū)域的配置是整個(gè)芯片配置的核心，分為對(duì)數(shù)據(jù)槽的配置和對(duì)OTP區(qū)域的配置。ATSHA204配置區(qū)包含對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)槽(data slot)的配置，配置的主要目的是對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)槽的訪問進(jìn)行限制，每個(gè)數(shù)據(jù)槽的配置項(xiàng)為16位，控制著對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)槽的訪問和使用，本設(shè)計(jì)中對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)槽統(tǒng)一配置如表1所列，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的配置值為0x8080。

OTP區(qū)域配置項(xiàng)對(duì)應(yīng)在config區(qū)域中的第4個(gè)block中的第3個(gè)字節(jié)，有兩種配置模式：0xAA(Read-onlymode)，當(dāng)OTP區(qū)域被鎖定時(shí)，禁止寫入;0x00(Legacymode)，當(dāng)OTP區(qū)域被鎖定時(shí)，禁止寫入，32字節(jié)讀也被禁止。本設(shè)計(jì)中為了保密沒計(jì)，配置為0x00。

②使用LOCK命令鎖定config區(qū)域。

③配置data區(qū)域。data區(qū)域的配置使用標(biāo)準(zhǔn)的write名字將數(shù)據(jù)寫入其中即可，本設(shè)計(jì)采用32字節(jié)一次性寫入的方式，每個(gè)data slot可以寫入不同的數(shù)據(jù)，寫入data slot中的數(shù)據(jù)將參與后續(xù)的MAC運(yùn)算，因此對(duì)于每組寫入data slot中的數(shù)據(jù)必須謹(jǐn)記。

④寫OTP區(qū)域。OTP區(qū)域?qū)儆谝淮涡跃幊虆^(qū)域，一次性寫入之后便不可更改，因此應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎操作，OTP中存放的秘鑰也將作為SHA-256輸入，在使用MAC方式認(rèn)證時(shí)，只需用到OTP區(qū)域中的前11字節(jié)，因此只需對(duì)前11字節(jié)進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)操作即可。

⑤使用LOCK命令鎖定數(shù)據(jù)區(qū)和OTP區(qū)域。

3 SHA-256認(rèn)證算法與MAC

3.1 SHA-256算法

SHA(Securc Hash Algorithm，安全散列算法)是美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)設(shè)計(jì)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)發(fā)布的一系列密碼散列函數(shù)。SHA-256是NIST發(fā)布了額外的SHA變體，具有256位的信息摘要長(zhǎng)度。該算法的簡(jiǎn)要處理流程包括以下幾步：消息填充→附加消息長(zhǎng)度→初始化緩存→迭代壓縮→得出哈希結(jié)果(digest)。

3.2 MAC

MAC(消息鑒別碼)實(shí)現(xiàn)鑒別的原理是，用公開函數(shù)和密鑰產(chǎn)生一個(gè)固定長(zhǎng)度的值作為認(rèn)證標(biāo)識(shí)，用這個(gè)標(biāo)識(shí)鑒別消息的完整性。使用一個(gè)密鑰生成一個(gè)固定大小的小數(shù)據(jù)塊，即MAC，并將其加入到消息中，然后傳輸。接收方利用與發(fā)送方共享的密鑰進(jìn)行鑒別認(rèn)證。ATSHA204中的MAC命令使用SHA-256哈希算法，以88字節(jié)的信息量作為輸入，并產(chǎn)生一個(gè)32字節(jié)的報(bào)文摘要，以供認(rèn)證和鑒別。

4 基于ATmega128平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用8引腳SOIC封裝的ATSHA204，其中4個(gè)引腳是無效的，其他4個(gè)引腳對(duì)應(yīng)VCC、GND、一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)SCL、一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)SDA SCL和SDA分別接到ATmege128的SDL和SDA上，使用ATmege128自帶的I2C總線接口與ATSHA204進(jìn)行通信。接線示意圖如圖1所示。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖2所示，在ATmega128平臺(tái)上面，通過程序的方式實(shí)現(xiàn)SHA-256算法，同時(shí)，將challenge(消息摘要)發(fā)送到ATSHA204 ATSHA204計(jì)算好之后，發(fā)回response，再在ATmega128平臺(tái)上面實(shí)現(xiàn)對(duì)比，如果匹配成功，則程序繼續(xù)運(yùn)行，如果失敗，則程序終止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)加密的目的。通信方式采用基礎(chǔ)的I2C通信。整個(gè)程序包括兩部分：認(rèn)證程序沒計(jì)和SHA-256程序設(shè)計(jì)。下面分別描述。

4.2.1 MAC(消息認(rèn)證)程序設(shè)計(jì)

MAC認(rèn)證程序使用上面提及的標(biāo)準(zhǔn)的TWI讀寫函數(shù)接口，通過發(fā)送0x00信號(hào)使SDA保持一段時(shí)間的低電平信號(hào)，以wakeup加密芯片、chal lenge數(shù)組中的格式和response數(shù)組的大小詳見datasheet。基本函數(shù)流程如下：

4.2.2 ATmega128平臺(tái)SHA-256計(jì)算程序

SHA-256計(jì)算程序需要和ATSHA204芯片上面的哈希算法保持一致，因此需要移植Atmel公司提供的算法，移植之后的主程序如下：

函數(shù)形參中的message指針指向一個(gè)88字節(jié)的輸入數(shù)組，len的值本設(shè)計(jì)中賦值88，digest指針指向返回的response數(shù)組。

4.3 功能測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的可行性，驗(yàn)證哈希計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用將哈希計(jì)算結(jié)果輸出到串口端的方法來測(cè)試整個(gè)程序在ATmega128平臺(tái)上面的運(yùn)行。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為了保證高強(qiáng)度加密，消息摘要應(yīng)該采用隨機(jī)數(shù)，但為了測(cè)試方便，暫時(shí)采用固定不變的摘要信息。

通過串口接收到的主機(jī)計(jì)算的結(jié)果(digest)和ATSHA204發(fā)送回來的結(jié)果截圖如圖3所示。圖中前32字節(jié)為SHA-256計(jì)算所得的digest，后面為device發(fā)回來的count(1字節(jié))+response(32字節(jié))+crc(2字節(jié))，可以看出中間的32字節(jié)和SHA-256計(jì)算所得相同，因此便可認(rèn)證成功。反之，如果芯片中的密鑰數(shù)據(jù)不是用戶定義的。那么返回的response和SHA-256計(jì)算的不同，則認(rèn)證不成功，從而實(shí)現(xiàn)了程序加密。

5 測(cè)試

為了更好地驗(yàn)證加密系統(tǒng)的可靠性與可行性，在測(cè)試認(rèn)證基本功能之后，將其嵌入到一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中，對(duì)加密性能進(jìn)行測(cè)試。基于已有的ATmega128硬件平臺(tái)，選取SD卡文件系統(tǒng)讀取程序作為測(cè)試，系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖4所示。

本系統(tǒng)采用開源的Fatfs文件系統(tǒng)作為SD卡的文件系統(tǒng)，SD卡與ATmega128的通信方式采用傳統(tǒng)的SPI方式，SD卡中存放已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的單色分辨率為128×64的位圖bin文件，認(rèn)證部分只作為一個(gè)具有返回值的子函數(shù)，根據(jù)返回值確定是否成功。

如果成功，則程序繼續(xù)執(zhí)行;如果不成功，延時(shí)1 s再次啟動(dòng)加密芯片進(jìn)行認(rèn)證。如果成功，則視同認(rèn)證成功;如果還是不成功，則通過液晶顯示屏提示不成功，使用assert語句終止程序。

測(cè)試中采用置換不同配置的加密芯片來測(cè)試加密的可靠性，認(rèn)證成功和失敗時(shí)的情況分別如圖5和圖6所示。

結(jié)語

本文主要介紹了Atmel公司最新加密芯片ATSHA204的原理和使用方法，初步對(duì)其中使用到的加密算法SHA-256進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，最后在ATmega128平臺(tái)使用I2C總線接口模塊，利用中斷方式實(shí)現(xiàn)SD卡的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，并通過MAC方式實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證，并詳細(xì)描述了程序流程，解析了部分程序語句。本設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，ATSHA204是目前廣泛使用的加密芯片，是Atmel公司加密芯片的典型產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用具有參考意義。