用FPGA器件提升物聯(lián)網(wǎng)和其它聯(lián)網(wǎng)設計的安全性

在現今日益趨向超連接的世界(hyper-connected world)中，如何保護新的設計避免被克隆、反向工程和/或篡改是一項重大挑戰。FPGA器件通過(guò)加入滿(mǎn)足器件級安全需求的特性，來(lái)幫助實(shí)現這些目標。

日益增長(cháng)的IoT安全需求

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)可被視為由多個(gè)電子網(wǎng)絡(luò )組成，這些網(wǎng)絡(luò )需要端到端的起始于器件級的分層安全性(見(jiàn)圖1)。為了幫助實(shí)現這種分層安全性，FPGA器件能夠加入獨特的內置特性和差異化能力，還能夠在往往非常復雜的應用中成為信任根(root of trust)。

圖1 聯(lián)網(wǎng)系統需要起始于器件的端至端分層安全性

該解決方案使用內部嵌入安全特性的FPGA器件，允許系統架構師把安全體系架構規劃在核心層面，而不是放在次要的地位。許多基于SRAM的FPGA器件存在的一個(gè)很重要的問(wèn)題就是每次開(kāi)機必需從外部存儲器進(jìn)行配置，這樣通過(guò)反向工程很容易獲取你的設計;因此，更好的辦法就是使用具有片上非易失性存儲器(NVM)的FPGA，可以使用NVM事件存儲配置信息。

因為數據安全性是最重要的安全層面之一，所以FPGA器件必需保護所有的數據，包括正在處理的應用數據。我們應當考慮多種數據保護特性，包括硬件保護防止來(lái)邊帶通道的差分功率分析(DPA)攻擊。單邊或差分功率分析(SPA/DPA)可以通過(guò)在解密位流(bitstream loading)測量其功耗來(lái)提取密匙。

可重點(diǎn)考慮的是使用物理不可克隆功能(PUF)來(lái)生成一個(gè)公私密匙對機器進(jìn)行認證。圖2所示的PUF可以用作每臺設備獨一無(wú)二的“生物(biometric)”標識——類(lèi)似于人類(lèi)的指紋，沒(méi)有兩個(gè)是完全相同的，并且是不可克隆的。

圖2 SRAM PUF架構利用SRAM位的準靜態(tài)(quasi-static)隨機啟動(dòng)行為

SRAM PUF

SRAM物理不可克隆功能是一種具有最佳特性和最可靠的存儲器PUF 類(lèi)型，它可以在智能卡芯片、FPGA或其它IC器件上實(shí)施。它通過(guò)測量SRAM模塊中的位的隨機啟動(dòng)狀態(tài)來(lái)工作，每個(gè)SRAM位包含兩個(gè)名義上標稱(chēng)等同但不完全相同的交叉耦合反相器。當電源施加在IC上，每個(gè)SRAM位啟動(dòng)為“1”或“0”狀態(tài)，這在很大程度上是取決于IC制造過(guò)程的。

在反相器具有良好的平衡時(shí)，熱噪聲可能會(huì )克服預定的參考位的限制，從而初始值出現相反狀態(tài)。然而，這一預定狀態(tài)通常能克服任何動(dòng)態(tài)噪聲，并且只要使用錯誤糾正技術(shù)便可以將受噪聲干擾的位恢復到初始值，確保在每次開(kāi)啟時(shí)重新構建相同的密匙。

SRAM PUF可以經(jīng)過(guò)設計以保證在所有環(huán)境條件下也可完美地重建密匙，并且在整個(gè)生命周期具有非常低的錯誤率——低至十億分之一。此外，由于SRAM PUF的密匙在電源關(guān)斷時(shí)有效地從器件中消失，所以具有極為強大的保護功能。如果激活碼被擦除，便沒(méi)有任何后續分析可以重建PUF密匙。

加密功能

如果要在FPGA或SoC FPGA器件中實(shí)施PUF技術(shù)，這些器件須具備內置加密功能，比如用于A(yíng)ES、SHA、HMAC，以及橢圓曲線(xiàn)加密(ECC)的硬件加速器，還需要加密等級的真正隨機位生成器。通過(guò)這些功能，便有可能創(chuàng )建一個(gè)用戶(hù)公共密匙基礎設施，讓用戶(hù)通過(guò)自己的授權機制來(lái)認證網(wǎng)絡(luò )中的每臺機器的合法性。這可確保每臺設備具有一個(gè)信任鏈，從得到用戶(hù)很好保護的根CA密匙一直延伸到通過(guò)FPGA器件的PUF建立的高確信度原子級身份。PUF和PKI結合起來(lái)，確保每臺設備和其通信受到保護，并且能夠安全、可靠地用于M2M、IoT和其它超連接應用。