利用CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全功能

PC軟件的盜版一直是困擾軟件行業(yè)發(fā)展的主要問題，同樣，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，隨著近年來黑客技術(shù)和芯片解剖技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)所面臨的攻擊也越來越多，因此，為解決這一問題開發(fā)的防抄板技術(shù)引起了產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的重視。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)者所面臨的問題主要是黑客對產(chǎn)品的仿制，其目的是獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)或者降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，攻擊手段主要是抄襲產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的線路板布線圖和通過拷貝獲得產(chǎn)品運(yùn)行程序。

目前市場通用的ARM、DSP、單片機(jī)通常安全防護(hù)手段很少，更多的程序暴露在透明的Flash或EEPROM中，面對不斷發(fā)展的攻擊技術(shù)以及黑客之間的競爭，產(chǎn)品的破解時間和成本越來越低，相對于產(chǎn)品仿制者獲得的巨大利益，有時其破解成本甚至可以忽略不計(jì)。尤其在一些特殊行業(yè)，如游戲、消費(fèi)電子行業(yè)，甚至出現(xiàn)了仿制產(chǎn)品大大多于自有產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的現(xiàn)象。因此，如何保護(hù)自身的利益，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者目前經(jīng)常面對的問題，這也促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)防抄板技術(shù)的發(fā)展。

在嵌入式系統(tǒng)中，更高的防護(hù)技術(shù)意味著更高的成本，但受到攻擊的產(chǎn)品往往是產(chǎn)銷量大的消費(fèi)電子產(chǎn)品，為增加防護(hù)技術(shù)所增加的產(chǎn)品成本會削弱產(chǎn)品的價格競爭能力。市場上流行的防抄板安全技術(shù)及產(chǎn)品多屬于低成本解決方案，下文將對這些主流方案進(jìn)行探討。

早期的口令認(rèn)證防護(hù)技術(shù)：幾年以前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者通常采用一個邏輯加密卡芯片來給產(chǎn)品定義唯一序列號或存儲序列號，這種邏輯加密存儲器必須通過口令認(rèn)證后才能進(jìn)行讀寫，這種防護(hù)技術(shù)面向黑客的示波器，口令和明文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可輕易被獲得，防護(hù)技術(shù)已經(jīng)完全失效和過時。

動態(tài)口令認(rèn)證防護(hù)技術(shù)：為避免線路監(jiān)控固定口令的缺陷，一些防護(hù)芯片采用動態(tài)口令技術(shù)，其基本原理是防護(hù)芯片和MCU內(nèi)置相同的密鑰和相同的對稱算法，利用隨機(jī)數(shù)作為通訊數(shù)據(jù)，MCU通過判斷防護(hù)芯片的計(jì)算結(jié)果正確與否來決定程序是否繼續(xù)運(yùn)行。這種產(chǎn)品和技術(shù)解決了認(rèn)證過程線路監(jiān)控的問題，但實(shí)際防護(hù)作用微乎其微。因?yàn)镸CU本身沒有硬件防護(hù)功能才選用防護(hù)芯片，而這種防護(hù)芯片的硬件安全性甚至不如MCU,其內(nèi)部存儲的密鑰可以很容易的被獲取。更重要的一點(diǎn)是，MCU在安全防護(hù)上僅僅實(shí)現(xiàn)了一個認(rèn)證流程，可以很容易地被能夠修改程序的黑客跳過。目前市場上這種芯片的銷量雖然很大，但缺乏真正防護(hù)效果，實(shí)際上增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的成本。

動態(tài)口令認(rèn)證＋數(shù)據(jù)存儲技術(shù)：為解決僅需簡單認(rèn)證的問題，有些公司繼續(xù)使用安全存儲技術(shù)，防護(hù)芯片內(nèi)置動態(tài)口令和認(rèn)證算法，并具有數(shù)據(jù)存儲功能。首先使用復(fù)雜的動態(tài)雙向認(rèn)證技術(shù)，獲得存儲器的讀寫權(quán)限，然后讀寫敏感的數(shù)據(jù)信息。這種防護(hù)芯片在硬件上具有一定的安全性，因此具有一些防護(hù)作用。但是MCU端的安全性并沒有解決，黑客仍可以通過攻擊MCU端的程序獲取算法和密鑰，通過認(rèn)證后監(jiān)控讀寫通道獲取敏感數(shù)據(jù)，其安全性具有局限性。

采用CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)的功能示意圖。

CPU卡通用COS保護(hù)技術(shù)：CPU卡在SIM領(lǐng)域和金融領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得其安全性得到了廣泛的認(rèn)知。金融應(yīng)用以及SIM卡的巨大發(fā)卡量所帶來的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，使CPU卡面臨的安全挑戰(zhàn)最大，因此CPU卡的硬件安全防護(hù)技術(shù)是比較全面的，而且在不斷的升級，國際權(quán)威機(jī)構(gòu)也有針對CPU卡的安全認(rèn)證，其認(rèn)證費(fèi)用非常昂貴，因此CPU卡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)商往往是國際性的大公司，這也增加了人們對CPU卡的信任。

目前常用CPU卡的安全性體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面。CPU卡的硬件設(shè)計(jì)增加了許多傳感器，如高壓和低壓傳感器、頻率傳感器、濾波器、光傳感器、脈沖傳感器、溫度傳感器等，這些傳感器可以清晰地感覺到外部環(huán)境的變化，從而有效防止黑客利用改變硅片外部環(huán)境而誘導(dǎo)芯片誤感應(yīng)的半入侵攻擊。為應(yīng)對物理攻擊，CPU卡在芯片內(nèi)部對存儲器和總線系統(tǒng)進(jìn)行加密，存儲在芯片上的數(shù)據(jù)本身利用強(qiáng)大的密碼算法進(jìn)行加密，即使攻擊者能夠得到這些數(shù)據(jù)，也只能獲得無用的信息。另一方面，采用有效的屏蔽網(wǎng)對攻擊者構(gòu)成有效的屏障。采用微米級的超細(xì)保護(hù)線來覆蓋安全控制器。這些保護(hù)線被連續(xù)監(jiān)控，如果出現(xiàn)短路、切斷或損壞，就會啟動報(bào)警。采用多層次的保護(hù)措施，就可以對控制器起到較好的保護(hù)作用，以免遭受物理攻擊。此外，CPU卡內(nèi)部還具有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和硬件加密協(xié)處理器，以增加計(jì)算的安全性和速度。

除了CPU卡硬件安全性，CPU卡還使用內(nèi)部操作系統(tǒng)COS來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全管理，如使用安全狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的權(quán)限管理，通過隨機(jī)數(shù)認(rèn)證機(jī)制獲取存儲器的權(quán)限，卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)也可以使用密文或者動態(tài)密文的方式在線路傳輸，這些技術(shù)基本能夠解決在防護(hù)芯片一端的數(shù)據(jù)安全性。

采用CPU卡進(jìn)行防護(hù)已經(jīng)成為一種領(lǐng)先技術(shù)，CPU卡在SIM領(lǐng)域的巨量應(yīng)用使得其成本也能夠逐漸下降到被設(shè)計(jì)者接受的程度。

盡管CPU卡比較安全，但依然沒有解決MCU一端的安全問題，對稱算法的使用使得在MCU端依然會暴露算法和密鑰，此外，對于CPU卡的使用者而言，COS功能已經(jīng)設(shè)計(jì)好，只能被動使用固定指令，功能擴(kuò)展困難，而且第三方COS的資料是公開的，COS本身的權(quán)威性和安全性也會受到人們的擔(dān)心和質(zhì)疑。

開放的CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)

CPU卡實(shí)際上依然是一個單片機(jī)，盡管加載了各種安全技術(shù)，但它等同于一個迷你接口的安全單片機(jī)，針對COS廠商的軟件開發(fā)人員而言，COS編程等同于單片機(jī)開發(fā)，所使用的開發(fā)工具和編程語言與單片機(jī)甚至是相同的。因此，如果采用CPU卡作為主MCU的一個安全協(xié)處理器輔助MCU工作，使得一些重要程序或數(shù)據(jù)處理過程在CPU卡內(nèi)部完成，將解決MCU一端的安全問題，同時CPU卡內(nèi)部通常也具備很大的數(shù)據(jù)存儲空間(20~120K字節(jié))，安全計(jì)算加大容量安全存儲，大大提高了CPU卡應(yīng)用的性價比。

但對于單片機(jī)工程師而言，編寫COS或者與CPU卡進(jìn)行通訊的過程中，面臨的最大困擾是復(fù)雜的ISO7816協(xié)議，同時還要熟悉CPU卡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，為解決這個問題，有的CPU卡內(nèi)部預(yù)置了固件，將ISO7816協(xié)議變成普通的串口協(xié)議，同時通過調(diào)用固件，可以輕松完成對CPU卡內(nèi)部資源的管理，這樣工程師就能夠像針對單片機(jī)編程一樣輕松自如地對安全單片機(jī)進(jìn)行編程了。

開放的CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)相對于傳統(tǒng)的認(rèn)證技術(shù)具有極大的優(yōu)勢，依托安全的CPU卡硬件平臺作為安全協(xié)處理器，設(shè)計(jì)工程師可以在安全協(xié)處理器內(nèi)部自如地實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)思路，而不受第三方COS的制約，從而將設(shè)計(jì)思想和敏感數(shù)據(jù)完全控制在自己手中。

北京寶興達(dá)信息技術(shù)有限公司日前開發(fā)的新興產(chǎn)品ESPU0808已經(jīng)引起了人們的興趣，在很多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，例如在游戲機(jī)內(nèi)部，使用ESPU0808來計(jì)算人機(jī)博弈的中獎概率，在安防、IC卡消費(fèi)、智能門鎖等領(lǐng)域，利用ESPU0808對正常用戶和黑名單進(jìn)行管理，這項(xiàng)技術(shù)不僅增加了算法的安全性，同時減少了主MCU的負(fù)擔(dān)。

不過，使用這項(xiàng)技術(shù)依然有一些問題需要考慮，在CPU卡加密協(xié)處理器內(nèi)部運(yùn)行的程序應(yīng)具有很好的隨機(jī)性，簡單的程序和過少的數(shù)據(jù)交互會增加黑客的攻擊機(jī)會。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，防抄板技術(shù)也在不斷地發(fā)展，以對抗不斷增強(qiáng)的黑客攻擊手段。