利用異步采樣電路提高SRAM工藝FPGA的設計安全性

隨著FPGA的容量、性能以及可靠性的提高及其在消費電子、汽車電子等領域的大規(guī)模應用，F(xiàn)PGA設計的安全性問題越來越引起人們的關注。相比其他工藝FPGA而言，處于主流地位的SRAM工藝FPGA有一些優(yōu)勢，但是由于SRAM的易失性，掉電以后芯片中的配置信息將丟失，所以每次系統(tǒng)上電時都需要重新配置。這就使得剽竊者可以通過對FPGA的配置數(shù)據(jù)引腳進行采樣，得到該FPGA的配置數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)對FPGA內(nèi)部設計電路的克隆。為了保護設計者的知識產(chǎn)權以及推動SRAM工藝FPGA更大規(guī)模的應用，產(chǎn)業(yè)界和學術界從加密算法的角度對SRAM工藝FPGA的設計安全性提出了多種解決方案 [1～2]。

異步電路的競爭和險象問題所導致的不確定性，是數(shù)字電路設計中令人頭疼的問題。但是，如果把這種不確定性應用在本安全方案中，同樣可以困擾剽竊者，從而更有效地保護設計。為此，本文提出了利用異步采樣電路的不確定性提高SRAM工藝FPGA設計安全性的方法，以提高系統(tǒng)的安全性。

1 方案簡介

1.1 設計方案的指導思想

(1) CPLD是難以用反向工程等物理手段進行破解的，而且用這些方法破解CPLD的成本和設計的開發(fā)成本相近。Xilinx公司聲稱其CoolRunner- II系列CPLD的安全性完全可以達到ASIC相當?shù)牡燃塠3]。并且，CPLD也可以用抗攻擊性強的小規(guī)模反熔絲FPGA來代替[4]。

(2) CPLD中觸發(fā)器資源較少，因此應盡量降低CPLD中的電路復雜度。

本方案借助了跳頻的理念，在FPGA和CPLD中分別保存兩個密鑰表，在一開始同步之后，F(xiàn)PGA中的密鑰選擇狀態(tài)機根據(jù)異步采樣電路輸出的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)指示信號進行跳轉(zhuǎn)。同時CPLD接收FPGA送來的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)信號，其中的密鑰狀態(tài)機也進行相應的跳轉(zhuǎn)，并將密鑰傳回給FPGA。在沒有差錯的情況下，這兩個狀態(tài)機將一致地跳轉(zhuǎn)。FPGA通過對CPLD送來的密鑰進行確認來驗證CPLD的合法性：檢驗是否和自己的密鑰狀態(tài)機所選擇的密鑰一致，如果一致，則說明所連接的CPLD為合法的CPLD，F(xiàn)PGA電路正常工作;否則認為所連接的CPLD為非法，停止FPGA電路工作。由以上指導思想設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

此外，CPLD向FPGA傳遞的密鑰先利用M序列進行加密，這樣使得對系統(tǒng)的破解首先需要對M序列加密算法進行破解，從而進一步提高了系統(tǒng)的抗攻擊能力。

1.2 異步采樣電路

溫度的變化、電壓的波動等因素都會使晶振所輸出的時鐘發(fā)生抖動。因此，用一個時鐘去采樣另一個時鐘驅(qū)動的信號，其采樣值是不可預測的。異步采樣電路的機理就是利用兩個時鐘之間相位和頻率的不確定性，產(chǎn)生一個不可預測的序列。單比特異步采樣電路的示意圖如圖2所示。圖中有4個觸發(fā)器(FF1、FF2、FF3、 FF4)和兩個時鐘(clk、clks)。FF1、FF2由clks信號驅(qū)動，其中FF1是用于防止亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的觸發(fā)器，它的輸入信號同步于clk的信號，F(xiàn)F2的輸出信號則同步于clks的信號。FF3、FF4由clk信號驅(qū)動，其中FF3的作用和FF1類似，用于防止亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，它的輸入信號同步于clks的信號;FF4的輸出信號則同步于clk的信號。通過上述處理后，F(xiàn)F4的輸出產(chǎn)生了一個隨機序列，這個隨機序列不同于同步電路產(chǎn)生的偽隨機序列，其狀態(tài)的轉(zhuǎn)移同溫度、電壓等外界因素有關，是一個完全不可預測的隨機序列。此外，異步采樣電路對兩個時鐘之間的相位敏感，所以在電路板每次上電時所生成的序列也是不同的。

異步采樣模塊的VHDL實現(xiàn)如下：

--this process is triggered by clks

process(rst, clks)

begin

if rst=‘0’ then

ff1 = (others=>‘0’);

ff2 = (others=>‘0’);

elsif clks‘event and clks=‘1’ then

ff1 = din; --din is the signal triggered by clk

ff2 = ff1;

end if;

end process;

-- this process is triggered by clk

process(rst, clk)

begin

if rst=‘0’ then

ff3 = (others=>‘0’);

ff4 = (others=>‘0’);

elsif clk′event and clk=‘1’ then

ff3 = ff2;

ff4 = ff3;

end if;

end process;

dout = ff4; -- dout is output random signal

其中：din為同步于clk的輸入序列，dout為輸出的隨機序列。

將本文所設計的方法應用到Altera公司的Cyclone[5]系列FPGA中，利用Quartus II中的SignalTapII Logical Analyzer工具，兩次采樣復位后FPGA內(nèi)異步采樣電路的輸入輸出信號，得到如圖3所示的波形，其中兩個時鐘：clk為2.000MHz，clks 為2.048MHz。觀察系統(tǒng)復位后異步采樣電路輸出序列的隨機性可以發(fā)現(xiàn)，每次將系統(tǒng)復位后，采用同步電路設計的偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生相同的偽隨機序列 (din);但是，將這個偽隨機序列(din)輸入異步采樣電路后，在輸出(dout)卻得到不同的隨機序列。這說明同一塊電路板每次上電時都將生成不同的隨機序列。

1.3 密鑰選擇狀態(tài)機

FPGA 和CPLD中各有一個完全相同的密鑰選擇狀態(tài)機，該狀態(tài)機根據(jù)異步采樣電路輸出的隨機序列進行跳轉(zhuǎn)，其跳轉(zhuǎn)規(guī)則可以自定義。在本文設計的系統(tǒng)中，密鑰表中存放有8個32位長的密鑰，密鑰狀態(tài)機共有8個狀態(tài)，記為狀態(tài)0～狀態(tài)7，每個狀態(tài)分別對應一個密鑰，記為密鑰0～密鑰7。

假設當前狀態(tài)為狀態(tài)i，異步采樣電路的輸出為j，其中i、j∈N，且0≤i, j≤7。那么可以采用如下簡單的跳轉(zhuǎn)規(guī)則：當采樣電路的輸出為0時，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)0;否則，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)(i+j)mod8。為了提高系統(tǒng)的安全性，也可以采用各種無序的跳轉(zhuǎn)規(guī)則，通過改變跳轉(zhuǎn)規(guī)則和密鑰表，可以得到不同的系統(tǒng)。

1.4 M序列加密解密電路

由于CPLD向 FPGA傳遞密鑰之前，先利用M序列進行加密，使得對系統(tǒng)的破解首先需要對M序列加密算法進行破解，這樣既防止了密鑰的明文傳輸，又提高了系統(tǒng)的安全性。之所以采用M序列作為加密算法，主要考慮的是解密的自同步特性。此外根據(jù)本設計的假設即CPLD的破解是不可行的，考慮到CPLD觸發(fā)器資源緊張，對 FPGA向CPLD之間的跳轉(zhuǎn)指示信號的傳輸沒有進行加密，為此而節(jié)省了CPLD中的電路。

M序列的級數(shù)越大，生成的隨機序列的周期越長，破解的難度也越大。這里采用20階的M序列，其本原多項式為x20+x3+1。

1.5 密鑰校驗

CPLD 將其密鑰狀態(tài)機所對應的密鑰回送給FPGA，F(xiàn)PGA則通過對CPLD送來的密鑰進行確認來驗證CPLD的合法性。為了不至于多占用引腳，32位密鑰是串行傳輸?shù)摹４袀鬏斀o剽竊者的破解也增加了難度，但同時帶來的問題是：FPGA需要先進行同步和串并轉(zhuǎn)換之后才能進行密鑰校驗。

密鑰校驗的狀態(tài)機如圖4所示。狀態(tài)機共有失步、預同步、同步和保護四種狀態(tài)。預同步狀態(tài)的設置是為了防止假同步，只有連續(xù)三次校驗正確才認為找到了同步。保護狀態(tài)的設置是為了防止誤碼引起不必要的失步，使得偶爾的誤碼并不會導致校驗狀態(tài)機失步。下面分別介紹密鑰校驗電路在這四種狀態(tài)的具體工作方式：

(1)失步狀態(tài)：系統(tǒng)剛啟動時，F(xiàn)PGA的密鑰校驗狀態(tài)機處于失步狀態(tài)，此時異步采樣電路不工作，輸出為0，CPLD一直發(fā)送密鑰0。密鑰校驗電路在M序列解密電路輸出的串行密鑰流里搜索密鑰0的碼型，在搜索到密鑰0的碼型后，密鑰校驗狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到預同步狀態(tài)。

(2)預同步狀態(tài)：當密鑰校驗狀態(tài)機處于預同步狀態(tài)時，異步采樣電路仍然不工作，輸出跳轉(zhuǎn)指示為0，CPLD仍發(fā)送密鑰0。密鑰校驗電路進行密鑰0校驗，如果連續(xù)三次密鑰校驗正確，則進入同步態(tài);否則返回失步態(tài)重新進行密鑰搜索。

(3)同步狀態(tài)：此時異步采樣電路開始工作，輸出隨機序列指示FPGA和CPLD中兩個密鑰狀態(tài)機進行跳轉(zhuǎn)。此時密鑰校驗電路將CPLD送來的密鑰和FPGA內(nèi)部選擇的密鑰進行對比，如果發(fā)生校驗錯誤則跳轉(zhuǎn)至保護狀態(tài);否則繼續(xù)進行密鑰校驗工作。

(4)保護狀態(tài)：異步采樣電路依然工作，密鑰校驗電路繼續(xù)進行密鑰校驗，如果連續(xù)三次密鑰校驗錯誤則跳轉(zhuǎn)到失步狀態(tài)重新進行密鑰搜索;否則返回同步狀態(tài)。

在密鑰校驗電路中設有錯誤計數(shù)器，該計數(shù)器在失步狀態(tài)下計數(shù)。一旦錯誤計數(shù)器的計數(shù)超過設定的閾值，則認為密鑰檢驗失敗，停止FPGA電路的工作使能。

2 安全性分析

這里列舉幾種常見的攻擊方法，并簡要分析本方案在這些攻擊下的安全性。由于本設計假設CPLD的破解是不可行的，所以不考慮對CPLD進行反向工程直接破解等方法。

2.1 對配置數(shù)據(jù)流進行采樣

剽竊者通過對FPGA的配置數(shù)據(jù)引腳(圖1中的位置①)進行采樣，得到該FPGA的配置數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)對FPGA內(nèi)部設計電路的克隆。

這種方法顯然是不可行的，因為FPGA只有在確認了所連接的為合法CPLD以后才能正常工作，也就是說，需要同時克隆一份CPLD內(nèi)的設計才能使得FPGA正常工作。

2.2 對密鑰數(shù)據(jù)流進行采樣

剽竊者利用2.1中所述方法對FPGA內(nèi)部設計電路進行克隆以后，又對密鑰數(shù)據(jù)流(圖1中的位置②)進行采樣，用存儲器將這些密鑰數(shù)據(jù)流存起來，在FPGA上電后將這個密鑰數(shù)據(jù)流發(fā)送給FPGA，企圖模擬一個合法的CPLD。

這種方法也是不可行的。因為異步采樣電路對兩個時鐘之間的相位敏感，所以在電路板每次上電時所生成的隨機序列是不同的，也就是說，每次上電后產(chǎn)生的密鑰數(shù)據(jù)流是不同的。因此，經(jīng)過這次采樣得到的密鑰數(shù)據(jù)流，下次上電時能用的可能性很小。

2.3 CPLD工作原理分析

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，本方案能夠很好地抵抗克隆攻擊。所以，要破解本方案，剽竊者只有同時對FPGA和CPLD之間的數(shù)據(jù)進行采樣(圖1中的位置②和③)，根據(jù)CPLD的輸入輸出分析CPLD的工作原理，從算法層面上破解CPLD，但很難成功破解。因為：

(1)由于FPGA和CPLD之間的密鑰數(shù)據(jù)流經(jīng)過M序列加密以后再進行傳輸，所以破解M序列加密算法是分析CPLD的第一步。同時加密時因采用了20階M序列，并且每32個周期改變一下密鑰，提高了序列綜合進行分析的難度。

(2)有8個32位的密鑰，而密鑰的長度和個數(shù)對于剽竊者來說都是未知的。

(3)在破解了M序列加密算法和獲得所有的密鑰以后，還需要破解毫無規(guī)律的密鑰選擇狀態(tài)機。即使一個8狀態(tài)的狀態(tài)機，因每個狀態(tài)有8種轉(zhuǎn)移的可能性，總的轉(zhuǎn)移關系就有88=16 777 216種。

因此，想要破解本系統(tǒng)所需的精力和成本都相當高。剽竊者需要知道足夠的系統(tǒng)設計參數(shù)，例如M序列生成多項式、密鑰個數(shù)、密鑰長度、密鑰狀態(tài)機個數(shù)以及密鑰選擇狀態(tài)機轉(zhuǎn)移規(guī)則等，才能對本方案成功破解。

對 FPGA設計安全性的思考源于所采用的Xilinx公司的Spartan3系列和Altera公司的Cyclone系列FPGA進行產(chǎn)品的開發(fā)。本文所提出的方案是利用異步采樣電路的不確定性使得系統(tǒng)不易被克隆。將該方案融合到其他加密方案中，可進一步提高這些方案的安全性。