摘  要： 针对SRAM工艺FPGA应用中的安全问题，提出了一种采用双重认证（身份认证和产权认证）的保护方法。不仅能够使得非法者无法使用FPGA，而且有效防止IP核被盗用。在FPGA外部添加安全芯片，负责完成身份认证，确认使用者的合法性；在IP核内添加保护模块，与安全芯片交互完成产权认证，确认IP核的合法性。详细介绍了双重认证方法的思想、原理和实现过程，并进行了安全性分析。
关键词： FPGA； IP核； 保护； 双重认证

    在电子产品设计中，FPGA由于灵活方便、性能突出等优点，得到了越来越广泛的应用。目前，市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera生产的FPGA大都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺FPGA由于自身的特点，存在诸多安全问题[1]。因此，实际应用中需要采取一定的保护手段，确保SRAM工艺FPGA的安全应用。
1 SRAM工艺FPGA的安全问题
    SRAM工艺FPGA具有掉电易失性,在实际的应用中需要外部存储器来存储其配置信息。因此，SRAM工艺的FPGA具有可反复使用、升级方便、配置电路简单等优点。然而，由于FPGA的配置电路及时序是公开的，在FPGA加载配置信息的过程中,不法者可以通过侦测FPGA配置管脚，截取配置信息来配置其他FPGA。而配置信息是设计者IP核的具体表现形式，这样，IP核被非法复制，使设计者的产权受到破坏。
    针对该问题，参考文献[2]提出一种结合EDA软件和FPGA的方法,有效防止IP核被非法复制；参考文献[3]在IP核中添加保护模块，通过保护模块和外部验证设备通信认证来确认IP核的合法性。以上文献从不同方面对IP核的防复制进行了研究[4],但都未对使用FPGA的用户进行身份认证。由于FPGA通常作为电子系统的核心或关键模块，为合法用户提供一定的服务，因此,实际应用中需对使用FPGA的用户进行身份认证。本文对此提出一种采用双重认证(身份认证、产权认证)的保护方法,以满足SRAM工艺FPGA防止非法用户使用及IP核防复制的双重需求。
2 双重认证方法的设计
2.1 双重认证方法的思想及模型  
　　由于FPGA芯片供应商对配置数据流的定义是不公开的，所以无法通过配置数据流推测内部电路。因此需要在IP核中添加保护模块，使得配置成功后FPGA先不工作，只有在身份认证、产权认证成功后，FPGA才正常工作。双重认证方法既认证使用者的合法性，又认证IP核的合法性，确保SRAM工艺FPGA的安全应用。
    本设计需要在IP核中嵌入保护模块，同时在FPGA外添加安全芯片。系统上电后，从配置器件加载IP核到FPGA，IP核中的工作电路暂时不能工作，只有当产权认证成功，保护模块发出使能信号，IP核中工作电路才开始工作。产权认证由IP核中保护模块和外部的安全管理芯片交互实现，而身份认证则由安全管理芯片完成。双重认证方法模型如图1所示，主要包括FPGA、FPGA配置器件、安全芯片等。

    本设计中，对FPGA及其配置器件无特殊要求，选用通用器件即可，这里选用的分别是Altera公司的EP2C20F256C8和EPCS1。
    安全芯片既要实现身份认证,又要通过与IP核中保护模块的交互实现产权认证，对安全性及其他性能都有较高的要求。本设计选用Z32芯片作为安全芯片。
2.2 双重认证方法的工作流程
    本设计采用双重认证机制保护FPGA的安全应用，其工作流程如图2所示。系统上电后，从存储器件加载IP核到FPGA中，首先进行用户身份认证，身份认证成功后进行产权认证。只有当身份认证和产权认证全部成功后，FPGA才开始正常工作。两次认证中任意一次失败，就会启动错误计数器，当计数达到设定的值后，系统就会销毁存储的秘密信息，使得系统失效。
    从图2可以看出，产权认证受身份认证保护，即只有身份认证通过，才能进行产权认证。不法者即使获得IP核配置信息，由于不能通过身份认证， 也无法使FPGA正常工作；合法使用者如果复制IP核的配置信息来配置其他FPGA，由于不能通过产权认证，也无法使FPGA正常工作。因此，双重认证方法有效地满足了SRAM工艺FPGA的安全应用需求。

3 关键模块的设计及实现
    首先对以下两个符号进行说明：
    (1) Kp：口令密钥，在身份认证成功后由口令、口令哈希值等分量合成，主要用于对密文存在的认证密钥Ka解密。
    (2) Ka：认证密钥，受口令密钥Kp保护，身份认证成功前以密文形式存在，是产权认证过程中AES算法的密钥。
3.1 身份认证模块
    身份认证主要由Z32安全芯片来完成。本设计在Z32的固件程序中，实现AES算法和SHA-256算法。在芯片的Flash中开辟安全存储区，只有固件控制程序可以对该安全存储区操作，外部程序无访问权限。为了提高身份认证的安全性，本设计采用口令方式进行身份认证，安全存储区中不存储口令的明文，仅存储正确口令的哈希值及认证密钥Ka的密文。
    身份认证原理如图3所示。本设计采用了密钥分级保护的思想，通过口令密钥Kp来保护认证密钥Ka。只有用户口令正确，系统才能计算出口令密钥Kp，然后调用AES算法将认证密钥Ka解密;若口令不正确，则即使将系统暴力拆解，直接读取芯片的存储区，也只能获得Ka的密文，而无法获得Ka的值。

    身份认证的具体过程为：
    (1) 接收用户输入的口令。
    (2) 将用户输入的口令用SHA-256算法处理，其结果与安全存储区中正确口令的哈希值(256 bit)进行比对。若比对结果一致，则跳过步骤(3)，否则执行步骤(3)。
    (3) 重新执行步骤(1)，同时启动错误计数器，错误值加1。当计数到设定值，则销毁安全存储区中的数据，系统被锁死。
    (4) 将口令与哈希值的低128 bit按位异或，得口令密钥Kp。若口令值不足128 bit，则将口令高位补为0,补足128 bit；若口令多于128 bit，则仅取其低128 bit。
    (5) 调用AES算法，用步骤(4)得到的口令密钥Kp将密文存储的Ka解密，得认证密钥Ka。解密后的Ka也存储在安全Flash区中。同时，Z32芯片将生成的口令密钥Kp清零。
    (6) 身份认证成功，向IP核保护模块发出产权认证开始信号，等待其响应。
    若身份认证成功后，用户输入修改登录口令的命令，则首先用原口令密钥Kp将认证密钥Ka解密，然后计算出新口令的哈希值及新的口令密钥Kp，调用AES算法将认证密钥Ka用新的口令密钥加密，最后将安全存储区中数据用新口令的哈希值和Ka新的密文替换。在这里需要注意的是认证密钥Ka的值并未变化，改变的仅为存储区中Ka的密文。
3.2 产权认证模块
    产权认证由Z32芯片和IP核中的保护模块共同完成，产权认证原理如图4所示，虚线为控制信号，实线为数据流。IP核保护模块由伪随机数发生器、AES加/解密器、比对模块、比对结果处理模块、寄存器等组成。当用户通过身份认证后，Z32芯片将安全存储区中加密存储的认证密钥Ka解密，然后通知FPGA，FPGA响应该信号，即产权认证开始。

    产权认证的具体过程为：
    (1) Z32芯片向FPGA发出产权认证开始信号。
    (2) IP核保护模块响应产权认证开始信号，伪随机数发生器产生一个伪随机序列。
    (3) 伪随机序列分成两路：一路存储在保护模块的寄存器中；另一路用AES算法加密(其中加密密钥为Ka)，然后把密文传给Z32芯片。
    (4) Z32芯片接收到密文后，利用身份认证过程中解密所得的认证密钥Ka，将所接收到的密文解密，然后将结果回传给FPGA认证模块。
    (5) IP核保护模块接收到Z32传回的序列,将其与步骤(1)中产生的序列值比对。若比对结果一致，则发出使能信号，IP核中工作电路开始工作;若不一致，则比对模块向Z32控制器传回比对错误信号,重新执行步骤(1)，同时Z32芯片启动错误计数器，错误值加1，当计数到设定值，则销毁Z32安全存储区中的信息，系统被锁死。
4 安全性分析
    本设计中，IP核工作电路只有在产权认证成功后才能工作，由于产权认证采用了挑战应答方式，每次产生的随机序列不同，非法者使用重放攻击不能通过产权认证。由于对伪随机序列采用的是AES加密，在不知道密钥的情况下很难破解，安全可靠性高[5]。因此，产权认证的安全性取决于认证密钥Ka的安全性。
    认证密钥Ka存在于FPGA的配置数据流和安全芯片中。因为 FPGA芯片供应商对配置数据流的定义是不公开的，所以无法获得配置数据流中的认证密钥Ka。而若想破解安全芯片而获得认证密钥Ka也是不现实的，因为Ka受口令密钥Kp保护,只有用户输入正确的口令，才能利用口令、口令哈希值计算出口令密钥Kp，才能将Ka解密。非法用户没有正确的口令，不能计算出口令密钥Kp，无法使FPGA正常工作，这样便达到了防止非法用户使用FPGA的目的；合法用户通过身份认证后能够将Ka解密，但只有固件程序能够对Ka操作，用户也无法获得Ka的具体值，即使拷贝IP核配置信息来配置其他FPGA，由于不知道Ka的具体值，无法通过产权认证，复制的IP核也不能工作，实现了对设计者产权的保护。
    本文设计的保护方法采用了身份认证、产权认证两重认证机制，体现了分级保护的思想。虽然消耗了一部分硬件资源，但有效地保证了SRAM工艺FPGA的安全应用，达到了非法用户不能使用FPGA、合法用户不能侵犯设计者产权的目的。本设计安全性高、通用性强，具有广泛的应用前景。
参考文献
[1] GUAJARDO J,KUMAN S, SCHRIJEN S, et al. Physical unclonable functions and public-key crypto for FPGA IP protection[C]. Amsterdam: Field Programmable Logic and application, 2007: 189-195.
[2] 章礼宏, 范全润. 基于EDA软件和FPGA的IP核保护技术[J]. 电子设计工程, 2009, 17(3):98-100.
[3] 范明俊, 李宁, 赵乐军,等. 一种安全可靠性高的全新IP核保护方法[J]. 微电子学, 2007, 37(2):185-188.
[4] GUNGYSU T, MOLLER B, PAAR C, et al. Dynamic intellectual property protection for reconfigurable devices[C].Kitakyushu: Field-Programmable Technology, 2008:169-172.
[5] 杨义先, 钮心析. 应用密码学[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2005.