采用MAX II器件實現FPGA設計安全解決方案

conniede

本文提供的解決方案可防止FPGA設計被拷貝，即使配置比特流被捕獲，也可以保證FPGA設計的安全性。這種安全性是通過在握手令牌由MAX II器件傳送給FPGA之前，禁止用戶設計功能來實現的。

基于SRAM的FPGA是易失器件，需要外部存儲器來存儲上電時發送給它們的配置數據。在傳送期間，配置比特流可能會被捕獲，用于配置其他FPGA。這種知識產權盜竊損害了設計人員的利益。

本文提供的解決方案可防止FPGA設計被拷貝，即使配置比特流被捕獲，也可以保證FPGA設計的安全性。通過在握手令牌由MAX II器件傳送給FPGA之前，禁止用戶設計功能來實現這種安全性。選用MAX II器件來產生握手令牌，這是因為該器件具有非易失性，關電時可保持配置數據。而且，對于這種應用，MAX II器件是最具成本效益的CPLD。本文還介紹了采用這種方案的一個參考設計。

一、硬件實現

FPGA設計安全解決方案的硬件實現如圖1所示。MAX II器件產生連續的握手令牌，發送至FPGA，以使能用戶設計。FPGA和MAX II器件之間傳送5個信號：clock、shift_ena、random_number、ready和handshaking_data。

一旦FPGA經過配置后，它向MAX II器件提供連續時鐘。同時連接至FPGA和MAX II器件的啟動/復位信號必須置位，以啟動系統工作。FPGA中的隨機數發生器(RNG)開始為FPGA和MAX II器件產生初始計數值(每次上電或者啟動/復位信號置位時，僅向MAX II器件發送一次隨機數)。隨機數準備好后，shift_ena信號變為高電平，采用random_number信號，隨機數串行移位至MAX II器件。隨機數全部移位至MAX II器件后，ready信號置位，指示FPGA可以接收來自MAX II器件的握手令牌。

配置之后，由于Enable信號還是邏輯低電平，FPGA中的用戶設計功能被禁止。只有MAX II器件送出的握手令牌和FPGA內部產生的數據相匹配，Enable信號才會置位，啟動用戶設計功能。這兩個數據之間出現差異時，Enable信號變為低電平，禁止用戶設計功能。MAX II器件中產生握手令牌和FPGA器件中產生數據的方法和過程相同。如果沒有正確的令牌，FPGA器件中的用戶設計功能被禁用。這樣，即使配置比特流被捕獲，也可以防止用戶設計被拷貝。



                                  圖1：FPGA設計安全方案的硬件實現

二、設計構建模塊

FPGA的設計安全組成包括一個時鐘分頻器、隨機數發生器(RNG)、安全內核、比較器和可靠性部分，而MAX II器件的設計安全組成只包括圖1所示的安全內核。

FPGA和MAX II器件使用的安全內核相同，如圖2所示，由以下部分構成：隨機數接收器、64位計數器、編碼器、移位器/復用器。



                                   圖2：FPGA和MAX II器件的安全內核

1、時鐘分頻器

FPGA中的時鐘分頻器用于從系統時鐘產生速率較低的時鐘，供給FPGA和MAX II器件的安全內核使用。這是因為安全內核不需要運行在非常高的頻率下。特別是當系統運行頻率非常高時，時鐘分頻器的作用便比較顯著，否則，如果系統運行頻率較低，可以不使用該分頻器。

2、隨機數發生器(RNG)

每次啟動/復位信號置位時，RNG為64位計數器產生隨機初始值。然后，隨機數同時串行移位至FPGA和MAX II器件的安全內核。參考設計采用32位RNG。

3、隨機數接收器

隨機數接收器接收來自RNG的串行隨機數，并按照正確的順序排列數據，將其做為初始值送入64位計數器。

4、64位計數器6

4位計數器用于產生送入編碼器的64位數據。它是按照公式X=X+A進行的一個簡單加法器。X是一個64位初始值，而A是計數器遞增值，應為質數。初始值X來自RNG。參考設計中，32位來自RNG，其余32位由用戶在設計代碼中設置。A可以由用戶在設計代碼中設置。計數器輸出送入編碼器，對數據進行加密。編碼器每次完成前一數據的加密后，計數器數值遞增。

5、編碼器

編碼器可以采用任何難以破譯的加密標準。參考設計采用了三重數據加密標準(3DES)。3DES編碼器的輸入和輸出是64位值，需要48個時鐘周期完成64位數據加密。

6、移位器/復用器

移位器/復用器將編碼器輸出比特(16位)的一部分按照特定順序，存儲在寄存器中，編碼器準備下一數值時，將其串行移位至比較器。

7、比較器

比較器將MAX II器件的編碼數據(握手令牌)與FPGA內部產生的編碼數據逐位比較。如果MAX II器件和FPGA的數據相匹配，Enable信號置位，使能用戶設計功能。如果出現不匹配，請參見下面的可靠性保證一節。這種方式可以重復幾次，以產生更多的Enable信號，使能用戶設計的不同部分。這種重復方式可以防止有人篡改FPGA比特流(這種可能性較低)，致使Enable信號變為高電平，導致設計安全方案失效。

8、可靠性

可靠性部分處理隨機比特錯誤，這種錯誤可能會導致系統停止工作。參考設計允許每10個時鐘周期中出現一次數據不匹配(這僅僅是一個例子，用戶可以根據實際應用，修改該方法，達到最佳效果)。換句話說，如果10個時鐘周期中，數據不匹配不超過一次，Enable信號仍將保持高電平，系統繼續工作。如果10個時鐘周期中出現兩個錯誤，那么，Enable信號變為低電平，禁止用戶設計功能。在啟動/復位信號置位，復位系統前，系統停止工作。



                                  圖3：不支持安全方案的FPGA設計。

三、用戶設計模塊

用戶設計模塊是真正的FPGA設計。來自安全模塊的Enable信號低電平時用于禁止用戶設計模塊。換言之，如果比較器發現MAX II器件和FPGA的數據不匹配，考慮到可靠性之后，將禁止用戶設計功能。

圖3是Enable信號低電平時，禁止用戶設計功能的實例。圖3所示的FPGA用戶設計具有Clk_en輸入信號，用于使能設計中的時鐘。只有Clk_en信號高電平時，才啟動設計功能。為實現設計安全方案，對用戶設計稍做修改(增加了一個AND邏輯門)，這樣，當來自安全模塊的Enable信號低電平時，禁止用戶設計，如圖4所示。

四、解決方案的安全性

上電時，當FPGA的配置比特流由外部存儲器傳送至FPGA時，有可能被捕獲。使用捕獲的比特流來配置其他FPGA可以拷貝FPGA設計。

采用該解決方案，只有當MAX II器件的握手令牌與FPGA內部產生的數據相匹配時，FPGA用戶設計才開始工作。由于被復制的設計在沒有握手令牌時無法工作，因此保證了FPGA設計的拷貝安全性。用于產生握手令牌的MAX II器件具有非易失特性，關電時可保持其配置。

解決方案的安全性依賴于MAX II器件產生的握手令牌。要破解該方案，需要拷貝MAX II器件產生的全部令牌比特流，或者計算出編碼器用于產生令牌的密鑰。由于每次上電時，MAX II器件產生的握手令牌都不同，因此，拷貝全部比特流來破解該方案是不可能的。這在于采用了RNG，它在上電時產生不同的數值送給MAX II器件。



                                   圖4：支持安全方案的FPGA設計

如果采用了成熟的加密算法，那么破解編碼器使用的密鑰將非常困難。而且，無法從外部看到編碼器輸入數據，只有一部分加密數據串行移出，更難實現純文本攻擊。純文本攻擊分析編碼器的輸入和輸出數據，猜出密鑰，實施攻擊。因此，該解決方案保護了FPGA設計。

為保證該方案正常工作，安全模塊的時鐘應和FPGA用戶設計的時鐘一致，如圖1所示。這樣可以防止有人在Enable信號高電平時，禁用安全模塊時鐘。

五、本文小結

FPGA設計安全解決方案保護了Altera FPGA設計被拷貝(即使配置比特流被捕獲)。在MAX II器件通過握手令牌驗證前，禁止FPGA用戶設計，實現了該解決方案。只有握手令牌與FPGA內部產生的數據匹配時，FPGA用戶設計才被使能。該解決方案還保護了FPGA中的設計人員知識產權。