航芯：電子產(chǎn)品如何硬剛「盜版」這些知識速來(lái)了解

發(fā)布時(shí)間:2024-04-09

前言

嵌入式應用無(wú)處不在，從消費電子到工業(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，針對電子設備的安全攻擊事件層出不窮。因此，如何保護設備不被入侵或篡改始終是一項關(guān)鍵設計挑戰。

「多場(chǎng)景下的安全認證需求」

在多樣化的應用場(chǎng)景中，安全認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。安全認證芯片能在版權保護中發(fā)揮關(guān)鍵作用，有效防范反向工程攻擊，避免被未授權的第三方拷貝程序和仿冒。

電子配件認證：杜絕偽造守護品質(zhì)安全

因假冒偽劣配件而不斷引發(fā)的安全事故，將危及設備功能和用戶(hù)安全，從而損害品牌價(jià)值。安全認證芯片可用于驗證配件真偽，確保僅授權的正品配件得以使用。適用于智能設備電池、打印機墨盒、電子煙煙彈、濾水器和凈水器、可穿戴設備、電動(dòng)工具等應用。

醫療耗材認證：配套產(chǎn)品的質(zhì)量管控

針對醫療耗材，安全認證芯片可用于存儲傳感器的關(guān)鍵醫療參數，確保耗材能精準校準到儀器。且可用于驗證配件真偽，防止使用未經(jīng)授權的耗材。適用于血氧監護儀、心電監護儀、B超探頭、便攜式呼吸機等應用。

汽車(chē)配件認證：保障汽車(chē)零部件安全

針對汽車(chē)配件，安全認證芯片可嵌入任何有被偽造風(fēng)險的汽車(chē)外圍設備，用于識別和校準汽車(chē)配件，通過(guò)驗證汽車(chē)組件確保車(chē)輛安全性和可靠性。適用于汽車(chē)攝像頭、傳感器、電動(dòng)汽車(chē)電池、前燈模塊、車(chē)載香氛等應用。

工業(yè)設備安全：讓智能化與安全并行

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

芯品推薦：航芯ACL16_A系列

針對以上應用，航芯推出了一款專(zhuān)為設備認證設計的安全芯片ACL16_A系列。這款芯片集成了多項安全特性，實(shí)現數據加密和安全認證的雙重功能，能夠輕松應對各種復雜的設備認證挑戰。采用1-Wire單總線(xiàn)通信，實(shí)現簡(jiǎn)化設計和高效傳輸，大幅提升認證速度。更為精巧的LGA4封裝設計顯著(zhù)減少了空間占用，為設計人員在產(chǎn)品布局上提供了更大的靈活性。而且設計人員無(wú)需具備深厚的安全加密知識，也能輕松地將ACL16_A系列芯片嵌入到產(chǎn)品中，實(shí)現快速開(kāi)發(fā)和高效安全認證。

「兩種算法滿(mǎn)足多樣化安全認證需求」

對稱(chēng)加密算法：滿(mǎn)足基礎級安全需求

ACL16_AHM系列是一款基于對稱(chēng)加密算法的安全認證芯片。采用1-Wire單總線(xiàn)通信，集成了HMAC和SHA-256算法引擎、FIPS/NIST兼容真隨機數發(fā)生器、128-byte安全EEPROM用戶(hù)存儲區、20位僅遞減計數器和唯一的64位ROM識別碼。

ACL16_AHM：HMAC實(shí)現安全認證

ACL16_AHM基于對稱(chēng)加密算法，即加密和解密使用相同的共享密鑰。而HMAC利用對稱(chēng)加密，可以實(shí)現“認證”和“檢測篡改”這兩個(gè)功能。

HMAC實(shí)現安全認證的過(guò)程

由主機向認證器件發(fā)送一個(gè)隨機數挑戰。認證器件用共享密鑰加密隨機數，并使用SHA-256對加密結果進(jìn)行HASH運算，生成一個(gè)哈希值作為簽名，并將運算結果發(fā)送給主機。主機執行相同的運算并對結果進(jìn)行比較，如運算結果相同，則認為認證器件是一個(gè)合法設備。ACL16_AHM系列HMAC認證的運算時(shí)間約5ms。

ACL16_AHM：性能優(yōu)勢和適用場(chǎng)景

HMAC-SHA256算法使用了哈希函數，其計算效率高，對系統性能的影響較小，適用于對認證應答實(shí)時(shí)性要求高，而主機設備性能要求不高的應用場(chǎng)景，可以在降低成本的同時(shí)實(shí)現安全認證的需求。

非對稱(chēng)加密算法：滿(mǎn)足進(jìn)階級安全需求

ACL16_AEC系列是一款基于非對稱(chēng)加密算法的安全認證芯片。采用1-Wire單總線(xiàn)通信，集成了ECDSA和SHA-256算法引擎、FIPS/NIST兼容真隨機數發(fā)生器、1KB安全EEPROM存儲區、20位僅遞減計數器和唯一的64位ROM識別碼。

ACL16_AEC：ECDSA實(shí)現安全認證

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

所以，ECDSA利用非對稱(chēng)加密，既可以實(shí)現“認證”和“檢測篡改”的功能，還可以驗證密鑰所有者的身份，具有更好的防止偽造能力。

ECDSA實(shí)現安全認證的過(guò)程

由主機向認證器件發(fā)送一個(gè)隨機數挑戰。而認證器件根據隨機數和私鑰，使用ECDSA計算數字簽名，并將運算結果發(fā)送給主機。主機使用公鑰對數字簽名進(jìn)行驗證。如果結果一致，則認為認證器件是一個(gè)合法設備。ACL16_AEC系列ECDSA的運算時(shí)間約250ms。

ACL16_AEC：性能優(yōu)勢和適用場(chǎng)景

ECDSA-SHA256算法結合了橢圓曲線(xiàn)密碼學(xué)和SHA-256的強安全性，加密強度要高于HMAC；相較RSA算法，ECDSA用更短的密鑰長(cháng)度，實(shí)現更高的安全性，對存儲空間和傳輸帶寬占用較少。適用于對安全性要求高，且主機設備具備高性能的移動(dòng)設備和嵌入式系統。

「密鑰安全存儲難題：航芯有什么高招」

面對不斷進(jìn)化的安全攻擊手段，密鑰存儲的安全性成為了薄弱環(huán)節。所以，從密鑰的「誕生」到經(jīng)歷千萬(wàn)次的運算「功成身退」，航芯將層層把關(guān)每道安全防線(xiàn)，守護產(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大的安全特性。

密鑰的安全生成：實(shí)現長(cháng)效密鑰保護

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

ACL16_AEC密鑰的生成：采用非對稱(chēng)算法體系，使用「公私鑰對」。密鑰通過(guò)芯片內置的真隨機數發(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，但每次應用時(shí)都會(huì )加入隨機數，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：航芯安全芯片存儲壽命至少10年，而密鑰在全生命周期內都是有效的。在使用的過(guò)程中，雖然密鑰是固定的，但每次認證質(zhì)詢(xún)的隨機數不同，所以無(wú)法通過(guò)模擬單總線(xiàn)上的數據進(jìn)行破解。

安全存儲功能：敏感信息的堅實(shí)盾牌

加密存儲：安全EEPROM存儲區上的數據采用加密存儲，并且存儲地址使用串擾，從而使得數據在物理層面上不易被直接讀取或解碼。

權限管理：存儲器是可配置的，用于儲存用戶(hù)數據、密鑰、控制寄存器、認證證書(shū)等。存儲器分為32頁(yè)，每頁(yè)32字節，每個(gè)存儲頁(yè)面都可以配置特定的訪(fǎng)問(wèn)規則，如允許讀寫(xiě)、只讀或需要驗證后才能訪(fǎng)問(wèn)，確保只有經(jīng)過(guò)授權的操作才能對特定頁(yè)面進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現了對敏感數據的精確控制。例如，可根據實(shí)際應用設定密鑰的訪(fǎng)問(wèn)權限，實(shí)現配置不同安全等級的密鑰。

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行的操作，包括對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)和控制。通過(guò)指令集可以實(shí)現對存儲器的加密、訪(fǎng)問(wèn)權限驗證、數據完整性校驗等安全措施。例如，當密鑰被配置為不可讀出后，可通過(guò)命令獲得對應的公鑰來(lái)實(shí)現驗證功能。

固件IP保護：該功能支持安全啟動(dòng)和安全更新，為設備提供了一個(gè)可信任的運行環(huán)境。通過(guò)在PCB上放置安全芯片，固件運行時(shí)驗證安全芯片是否有正確的密鑰，即使固件被復制也會(huì )因為沒(méi)有密鑰而無(wú)法運行，以此來(lái)實(shí)現對代碼的保護。

可靠的反制措施：防御多種安全攻擊

通過(guò)在密鑰參與運算時(shí)引入真隨機數掩碼技術(shù)，有效掩蓋了在加解密和簽名驗證過(guò)程中因數據運算引起的功耗泄露，有效防御DPA/SPA攻擊；通過(guò)監測電壓、溫度和電磁場(chǎng)等關(guān)鍵參數，確保硬件在安全的環(huán)境中運行，任何超出正常范圍的波動(dòng)都可能觸發(fā)警報，促使系統采取保護措施，有效抵御DFA錯誤注入攻擊。

賦予芯片身份標識：確保精準識別與安全

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

64位唯一ROM識別碼 (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(chǎng)光刻寫(xiě)入芯片，為每個(gè)芯片提供了一個(gè)不可篡改的身份標識，防止身份偽造和非法復制。

「1-Wire單總線(xiàn)：簡(jiǎn)化設計和高效傳輸」

1-Wire單總線(xiàn)使用1-Wire和GND兩根線(xiàn)，借助芯片內部二極管和外置電容器件，將1-Wire總線(xiàn)上的方波信號轉換成直流電源信號，為從機的硬件系統提供電源輸入，實(shí)現主機與一個(gè)或多個(gè)設備之間的通信，可提供穩定可靠的數據傳輸，同時(shí)簡(jiǎn)化系統設計，降低生產(chǎn)和維護成本，因此成為許多產(chǎn)品設計中的優(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)