专用SOC安全控制架构的研究与设计

　　引言

　　为了满足智能卡和可信计算应用需求，设计实现了一款专用SoC芯片。该芯片由微处理器、程序和数据存储器及管理模块、安全逻辑模块、密码服务模块、辅助功能模块、I／0接口组成，能为各种安全应用提供机密性、完整性和身份认证等多种密码服务，以及数据存储、访问控制、安全计算等应用。

　　专用SoC芯片的安全控制架构设计，首先应对芯片的应用环境进行分析，得到芯片的威胁模型与部署模型，即芯片的潜在攻击者和可能的攻击方式，以及芯片的生产、运输、研发和使用等环节存在的风险问题；其次是根据芯片安全要求与功能规范，通过软硬件协同设计方式，设置相关硬件逻辑、状态寄存器和参数存储区，并实现相关安全策略的软件控制流程；最后对所设计的系统进行安全性分析、仿真验证与FPGA测试。

　　1 芯片系统安全体系结构设计

　　基于芯片系统的生产与应用实际，根据受保护资产对芯片安全性影响重要程度和信息技术安全性*估准则，芯片的受保护资产可设计为如下3种安全级别。

　　0级资产：O层代码的完整性与可信性，0层数据（LEVEL0）的机密性、完整性和可信性，以及芯片各模块功能正确性。0级资产是芯片系统的安全基础，对任一项的保护失败均将导致整个芯片系统拒绝提供任何服务。

　　1级资产：1层代码的完整性与可信性，1层数据（LEVEL1）的机密性、完整性和可信性。1级资产是系统运行的核心控制态和2级资产的安全基础，对1级资产的保护失败将禁止本层代码及2层代码的执行。

　　2级资产：2层代码完整性与可信性，2层数据（LEVEL2）的机密性、完整性和可信性。2级资产是芯片系统最上层的受保护资产，对本级资产的保护失败会导致本层代码被禁止运行。2级资产在芯片系统中可以同时存在多个，但每一时刻只有1个投入运行。

　　1．1 芯片系统安全状态设计

　　芯片加电运行后，通过执行一系列的命令，获得不同的安全权限，从而也处于某一特定的安全状态。

　　ST1：出厂初始状态。在信任制造商前提下，芯片在出厂初始状态是可以信赖的。初始状态是芯片的可信基。

　　ST2：芯片使能状态。首次加电时，上电自检及传输安全认证通过后，芯片所处的状态。芯片在验证各功能模块正确，且。层代码、数据完整性校验通过后，接收传输过程安全认证命令，并利用开发商与制造商的共享秘密，在允许的认证次数范围内对芯片进行真实性认证。

　　ST3：芯片激活状态。处于使能状态下的芯片，允许开发商通过用户创建命令完成用户创建。在这一过程中，芯片对开发商身份的合法性认证依赖于传输安全认证时的共享秘密。用户创建完成后，置位芯片激活状态标识与所有权获得标识。再次启动时，对开发商的身份合法性认证依赖于输入的共享秘密，以及开发商创建的用户密钥。

　　ST4：1层代码下载允许状态。为满足芯片使用灵活性的要求，芯片的1层代码可由开发商进行配置。代码下载需对下载命令的发起者进行身份认证，在允许认证次数范围内，若身份认证正确，则置位1层代码下载允许标识，芯片进入1层代码（芯片操作系统）下载允许状态。

　　ST5：1层代码下载完成状态。在下载控制程序的控制下，完成1层代码下载。下载完成后，下载控制程序调用SHA1模块，对1层代码进行完整性度量与存储，并与输入的下载代码完整性信息进行比较。若完整性验证正确，则置位1层代码使能标识位。

　　ST6：1层代码运行状态。芯片系统可以由ST3和ST5转入1层代码运行状态。在进入此状态前，需判断1层代码使能标识是否有效，并在验证1层代码及数据完整性正确后进入代码运行状态，执行相应程序完成预定功能。

　　ST7：2层代码（用户应用程序）下载允许状态。2层代码的下载与调用均在1层代码监控下完成。在1层代码运行状态下，若用户输入2层代码下载命令，1层代码首先认证代码下载命令发起者身份。在允许的认证次数范围内，若身份认证正确，则置位本层敏感信息存储器中的2层代码下载允许标识位，芯片进入2层代码下载允许状态。

　　ST8：2层代码下载完成状态。与1层代码的下载过程相同，通过调用下载控制程序，完成2层代码的下载。下载完成后，1层代码对2层代码进行完整性度量与存储，对比验证输入的完整性信息。若完整性验证正确，置位LEVEL1中的2层代码使能标识位。

　　ST9：2层代码运行状态。当2层代码和数据完整性验证正确后，芯片系统可以由ST6和ST8转入2层代码运行状态。当2层代码使能标识有效时，芯片系统可以在ST6或ST8下，通过层次跳转指令，进入2层代码运行状态。在ST6状态下，芯片系统还可通过调用2层代码来完成其相应运算与控制功能。与层次跳转进入ST9不同的是，通过调用2层代码来完成其相应功能时，在2层代码执行完毕后，芯片系统可以返回到ST6。而通过层次跳转命令进入 ST9时，完成规定的功能后，芯片系统保持在ST9，或者通过系统复位返回ST3，不允许其返回ST6。

　　1．2 状态位与控制参数设置

　　为实现上述各状态之间的正常跳转，芯片系统需要设置相应的状态位与控制参数，以寄存芯片运行时的控制信息和工作状态。状态位与控制参数设置是芯片安全体系结构建立的基础，基于芯片的权限状态划分，参照TPM与ATMELSC系列安全芯片对状态位与控制参数的配置，将LEVEL0作为专用SoC芯片状态位与控制参数的存储区，其具体设置如表1所列。

　　表1 LEVEL0状态位与控制参数配置表

　　

　　在表1中，OTP（One Time Programmer）区是一次性编程区，用于芯片一次性设置的权限标识与状态留证。STATE为系统状态标识，用于标识芯片当前的权限状态信息。OTP 与STATE中各位的作用与位的对应关系如表2所示，其中各位均为高电平有效。

　　表2 OTP与STATE中状态位功能表

　　

　　M_AUTH为制造商与开发商的共享秘密，M_PUBKEY为制造商公钥，SN为产品序列号，它们共同用于芯片的传输过程安全认证。 EK（Endors- ement Key）为芯片系统的身份认证密钥对，在实际应用过程中，芯片通过调用EK私钥对数据进行签名，以表明自身的合法身份。AIK（Attes-tation Identity Key）为开发商身份认证密钥对，在用户身份创建过程中由片内随机数与RSA算法IP核生成，用于用户的身份认证。PCR（Pla-tform. Configuration Register）是平台配置完整性寄存区。为满足专用SoC芯片在进行FPGA测试时对芯片系统的硬件规模限制，暂时为芯片系统配置了8个PCR，每个 PCR寄存器为20个字节。除PCR6和PCR7外，其余各PCR寄存器存储信息的表达式如下所示。

　　PCR0 = SHA1（DOWNLOAD）

　　PCR1 = SHA1（LEVEL0）

　　PCR2 = SHA1（COS）

　　PCR3 = SHA1（APPLI）

　　PCR4 = SHA1（LEVEL1）

　　PCR5 = SHA1（LEVEL2）

　　DIR（Data Integrity Register）是芯片系统的数据完整性寄存器，寄存芯片内部数据与代码的完整性信息，具体设计时，为芯片系统配置了3个DIR，分别存储三个层次的数据与代码的完整性，各DIR寄存器存储信息的表达式如下。

　　DIR0 = SHA1（PCR0||PCR1）

　　DIR1 = SHA1（DIR1||PCR2||PCR4）

　　DIR2 = SHA1（DIR1||DIR2||PCR3||PCR5）

　　USER_AUTH为用户与芯片系统的共享认证秘密，在用户创建时通过相应命令输入，完成用户的身份合法性验证。ERROR_SIG为认证错误次数寄存器，用于芯片系统对字典攻击的防护。ATTACK_EVI是攻击留证寄存器，对芯片系统所遭受的物理攻击次数与方式进行寄存。